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マイクロメガス検出器（マイクロメッシュガス構造）は、気体粒子検出器であり、ワイヤチャンバーの発展型です。1996年にジョルジュ・シャルパックとイオアニス・ジョマタリスによって発明されました[1] 。マイクロメガス検出器は、主に実験物理学、特に素粒子物理学、原子核物理学、天体物理学で電離粒子の検出に使用されています。
マイクロメガ検出器は、通過する荷電粒子を検出し、位置、到着時間、運動量などの特性を取得するために使用されます。マイクロメガ技術の利点は、 100ナノ秒のオーダーの短い応答時間で動作しながら10 4の高いゲインを実現することです。これは、ガスチャンバーを微細メッシュで分割することで実現され、マイクロメガ検出器はマイクロパターンガス検出器になります。衝突する粒子への摂動を最小限に抑えるために、検出器の厚さはわずか数ミリメートルです。[2]
動作原理
イオン化と電荷増幅
検出器を通過する際に、粒子がガスをイオン化し、電子/イオン対が生成されます。約 400 V/cm の電界により、対は再結合せず、電子は増幅電極 (メッシュ) に向かって、イオンは陰極に向かって移動します。メッシュの近くでは、電子は増幅ギャップ内の通常約 40 kV/cm の強力な電界によって加速されます。これにより、さらに多くの電子/イオン対が生成され、電子なだれが発生します。約 10 4のゲインにより、目的の電極で読み取るのに十分な大きさの信号が生成されます。読み出し電極は通常、衝突粒子の位置を再構築するためにストリップとピクセルに分割されます。信号の振幅と形状から、衝突粒子の衝突時間とエネルギーに関する情報を得ることができます。
Micromegasのアナログ信号
信号は、増幅ギャップと呼ばれるマイクロメッシュと読み出し電極の間の空間における電荷の移動によって生じます。長さ 100 ns の信号は、電子ピーク (青) とイオン テール (赤) で構成されます。ガス中の電子移動度はイオン移動度よりも 1000 倍以上高いため、その信号はイオン信号よりもはるかに速く記録されます。電子信号は衝突時間を正確に測定できますが、イオン信号は粒子のエネルギーを再構築するために必要です。
歴史
ハドロンブラインド検出器の最初のコンセプト
1991年、ハドロンブラインド検出器実験でのハドロンの検出を改善するために、 [3] I. Giomataris と G. Charpak は、応答時間を短縮するために平行板スパークチェンバーの増幅ギャップを縮小しました。HDB 実験用に 1 mm の増幅ギャップのプロトタイプが構築されましたが、ゲインは実験で使用するには均一ではありませんでした。ミリメートルギャップは十分に制御されておらず、大きなゲイン変動を引き起こしました。それでも、増幅ギャップを縮小することの利点は実証されており、ワイヤチェンバーの発明に対するジョルジュ・シャルパックのノーベル賞受賞が発表される直前の 1992 年 10 月に、マイクロメガのコンセプトが生まれました。ジョルジュ・シャルパックは、この検出器とマイクロパターンガス検出器 (MPGD) ファミリーに属する他のいくつかの新しい概念が、彼の検出器がそうであったように、核物理学と粒子物理学に革命をもたらすだろうとよく言っていました。[4]
マイクロメガスの技術研究開発
1992 年にCEA サクレーとCERNで開始されたMicromegas 技術は、より安定性、信頼性、精度、高速性を備えた検出器を提供するために開発されました。2001 年には、40 x 40 cm 2の大型 Micromegas 検出器 12 台が、CERN のスーパープロトンシンクロトロン加速器に設置されたCOMPASSの大規模実験で初めて使用されました。
Micromegas 検出器の開発におけるもう一つの例は、「バルク」技術の発明です。「バルク」技術は、マイクロメッシュと読み出し電極を搭載したプリント基板を統合してモノリシック検出器を構築するものです。このような検出器は非常に堅牢で、工業プロセスで製造できるため ( 2006 年に3Mが成功した実装を実証しました[5] )、一般の用途にも使用できます。たとえば、マイクロメッシュを改造してUV光に感光するようにすると、Micromegas 検出器を使用して森林火災を検出できます。[6]感光性 Micromegas は、高速タイミング アプリケーションにも使用されます。PICOSEC-Micromegas は、チェレンコフ放射器とガス容積の前にある光電陰極を使用し、最小限の電離粒子で 24 ps の時間分解能を測定します。[7]
実験物理学におけるマイクロメガ検出器
Micromegas 検出器はいくつかの実験で使用されています。
- ハドロン物理学: COMPASS、NA48、およびJ-labのILC -TPCとCLAS12のプロジェクトが活発に研究されています。
- 素粒子物理学: T2K、CAST、HELAZ、IAXO
- 中性子物理学：nTOF、ESS nBLM [8]
マイクロメガ検出器は、計画されているミューオンスペクトロメータのアップグレードの一環として、ATLAS実験で使用される予定です。[9]
参照
注釈と参考文献
- ^ Giomataris, Y.; Rebourgeard, Ph.; Robert, JP; Charpak, G. (1996). 「MICROMEGAS: 高粒子流束環境向けの高粒度位置感度ガス検出器」.核物理学研究における計測機器と方法セクション A: 加速器、分光計、検出器および関連機器. 376 (1): 29–35. Bibcode :1996NIMPA.376...29G. doi :10.1016/0168-9002(96)00175-1.
- ^ JP Cussonneau 他/Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 419 (1998) 452—459
- ^ ハドロンブラインド検出器(HBD): 作成者: ref: I. Giomataris、G. Charpak、NIM A310(1991)589
- ^ 「ジョルジュ・シャルパック – 真の科学者 – CERN Courier」2010年11月30日。
- ^ 「パデュー大学のマイクロパターンガス検知器開発グループ」。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年6月13日閲覧。
- ^ 「FORFIRE：森林火災との戦いにおけるマイクロメガ」。2020年10月5日閲覧。
- ^ Bortfeldt, J .; et al. ( 2018). 「 PICOSEC : Micromegas ベースの検出器による 25 ピコ秒未満の精度での荷電粒子タイミング」。Nuclear Instruments and Methods in Physics Research。A903 : 317–325。arXiv : 1712.05256。Bibcode :2018NIMPA.903..317B。doi : 10.1016 /j.nima.2018.04.033。
- ^ Papaevangelou, Thomas; et al. (2018). 「ESS nBLM: 高速中性子検出に基づくビーム損失モニター」。第61回 ICFA 高強度・高輝度ハドロンビームに関する高度ビームダイナミクスワークショップ議事録。HB2018。doi : 10.18429/JACoW-HB2018-THA1WE04。
- ^ ATLAS コラボレーション (2013)。新しい小型車輪の技術設計レポート。ATLAS 技術設計レポート。