メッシュ付き μ-PIC の
メッシュ構造の最適化のシミュレーショ ン
Maxwell3D と Garfield
神戸大学大学院 理学研究科
M1 田辺晃
μ-PIC (Micro Pixel Chamber)
シミュレーション内容
実験結果
まとめと今後の課題
発表概要
μ-PIC (Micro Pixel Chamber)
ガス増幅を用いた粒子線検出器
荷電粒子やＸ線・
γ
線などの電磁波を金属
Mesh
検出をピクセル上方に配置しマイナスの電圧を印 加
増幅領域の増加による高増幅率化
マイクロメッシュによる増幅過程で生じた陽イオンの 吸収とその速やかな回収による入射許容量の増加
M
3-PIC （ Micro Mesh Micro Pixel Chamber ）
– 位置分解能
( - 100μm)
– 時間分解能( < 100ns)
– 入射粒子許容量
( > 10
7Hz/mm2)
Polyimide
一部の陽イオンはメッシュに吸収さ れずドリフト領域へと流れ出る
（
Ion Back Flow
）ドリフト電場を乱す要因となり、
一次電子群の正常なドリフトを阻害
ガス増幅・ Ion Back Flow
e
-e
-e
-e
-Ar
+Ar
+Ar
+Ar
+e
-Ar
+e Ar
- +e
-e
-e
-Ar
+Ar
+入射粒子
一次電子
増幅率
一次電子の個数 に対する
アノードに到達 した電子の個数
実験的にどのくらいのイオンバックフローが 流れ出ているのかを実測するのは困難
シミュレーションにより動作パラメータを変化さ せ
イオンバックフローを減少させるような
メッシュ構造の最適条件を探索
Maxwell3D 3 次元電場計算ソフト（ Ansof
t 社）
CAD を用いて 3 次元のジオメトリを
作成
ジオメトリ最小単横方向へ無限に位 拡張
金属メッシュの構造・・・アノードからの高さ・厚みを変更
Pixel-Mesh
間の距離50
、100
、200
、500[μm]
Mesh
の厚さ10
、20[μm]
解析メッシュを作成し有限要素法により電場解析を行う-
ジオメトリ最小単位での解析メッシュサイズ≒60,000 -
電子の正確なドリフトのため、増幅領域では特に細かく-CPU:Core2duo
、メモリ:1GB
のノートPC
計算に5~10
分Maxwell3D での計算結果のファイルを Garfield へ受け渡 す
印加電圧（アノード・ドリフト・メッシュ電圧）を 指定
アノード電圧Va=450[V]
（固定）Mesh-Drift
間の電位差Vm-d=100[V]
に固定した状態 でメッシュ電圧
Vm=0~-600[V]
まで100[V]
幅で変更(ex. Mesh
電圧Vm=-200[V]
、Drift
電圧Vd=-300 [V])
物質の素材（ ex. アノード・・銅、絶縁層・・ポリ
イミド、など）
Garfield CERN 製
ワイヤーチェンバー用シミュレーションプログラ ム Maxwell3D
でのジオメトリ・電場計算結果を取り込む
検出器内でのガスを指定・・今回はP10
ガス（Ar:CH4=9:1
）
電子や陽イオンをドリフトさせ計算を実行ドリフトエリアへのイオン収集率 青斜線部に配置した陽イオンのうち
メッシュ
-
ドリフト間で止まった陽イオンの割合•
イオン収集率（ドリフトエリアへのイオンバックフローの割合）アノードピクセル上（左図の青斜線 部）に陽イオンを配置しドリフト
電気力線に沿った陽イオンのドリフトをルンゲクッタ法を用い て計算
•
ガス増幅率•
電子収集率Z
軸 アノードから十分離れた左図の赤斜線部 に電子を配置しドリフト電子収集率
赤斜線部に配置した電子のうち
いずれかのアノードへ到達した電子の割 合
電子の拡散をモンテカルロ法で計算
上図の赤斜線部に配置した電子の個数に対する いずれかのアノードに到達した総電子の和
同様に、電子のドリフトをモンテカルロ法で計算
以上の過程を経て計算を実行
イオン収集率（ドリフトエリアへのイオンバックフロー
の割合）
Vm=-600[V]Vm=-500[V]
Vm=-400[V]
Vm=-300[V]
Vm=-200[V]
Vm=-100[V]
Vm=-50[V]
Vm=0[V]
傾向としてメッシュが厚くメッシュの位置が低い ほうがイオンバックフローの量は減少
厚さ
10μm
厚さ20μm
ガス増幅率
厚さ
20μm
のほうが増幅率は減少Mesh
の高さが高いほど増幅率は減少厚さ
20μm
Vm=-600[V]
Vm=-500[V]
Vm=-400[V]
Vm=-300[V]
Vm=-200[V]
Vm=-100[V]
Vm=-50[V]
Vm=0[V]
厚さ
10μm
Vm=-600[V]
Vm=-500[V]
Vm=-400[V]
Vm=-300[V]
Vm=-200[V]
Vm=-100[V]
Vm=-50[V]
Vm=0[V]
電子収集率
厚さ
20μm
のほうが電子収集率は減少厚さ
10μm
厚さ20μm
Vm=-600[V]
Vm=-500[V]
Vm=-400[V]
Vm=-300[V]
Vm=-200[V]
Vm=-100[V]
Vm=-50[V]
Vm=0[V]
同程度のガス増幅率
現段階における最適なメッシュ構造を求めるため、同程 度の増幅率において
10μm
、20μm
それぞれ高さごとに ドリフトエリアへのイオン収集率、アノードへの電子収 集率の比較厚さ
10μm
厚さ20μm
Vm=-600[V]
Vm=-500[V]
Vm=-400[V]
Vm=-300[V]
Vm=-200[V]
Vm=-100[V]
Vm=-50[V]
Vm=0[V]
同程度の増幅率下での電子・イオン収集率
20μm Anode電子収集率 20μm Drift-areaイオン収集率 10μm Anode電子収集率 10μm Drift-areaイオン収集率
高さの最適条件としては、傾向としてイオンバックフローが少なく、ア ノードへの電子収集率の大きい
50μm
である同程度の増幅率下での電子・イオン収集率
20μm Anode電子収集率 20μm Drift-areaイオン収集率
厚さに関しては、
20μm
では10μm
よりもイオンバックフローは減少させる 事ができるが、アノードへの電子収集率が大きく減少してしまう10μm Anode電子収集率 10μm Drift-areaイオン収集率
まとめ
今回、メッシュ構造の最適化のシミュレーションとして特にイオ ン収集率、電子収集率、増幅率の計算を行った。
そして同程度の増幅率からメッシュのピクセルからの高さ、厚さ の最適条件の検討を行った。
メッシュの高さの最適条件は傾向として高さ50μm
で ある
メッシュの厚さに関しては現段階ではメッシュを厚くすることでイオンバックフローは減少で きるが
アノードへの電子収集率が大きく減少してしまう
高さ
50μm
厚さ10μm
厚さ20μm
イオン収集率[%]
0.75 0.75
電子収集率
[%] 52 19 2×10
5 の増幅率において高さ
100μm
厚さ10μm
厚さ20μm
イオン収集率
[%]
1.4 0.53
電子収集率
[%]
41 12
2×10
5 の増幅率において具体的な計算結果
μ-PIC
を、低イオンバックフローの読み出し素子として用いるには
イオンバックフローは
0.1%
以下を目標今回メッシュを厚くすることで
1%
以下をシミュレーション により達成
イオンバックフローを減少させたまま増幅率、電子収集率を向 上させるため、金属メッシュのピッチ（幅）を大きくした状態で の高さ方向の厚さを変えた比較を行う
同程度の増幅率からの比較を行うため、Anode-Mesh
間の電位 差を一定に保った状態でのDrift
電圧の変更
実際の実験において、金属メッシュの冶具として用いられてい る絶縁体（ナイロン）を、シミュレーションにおいて配置した計 算（
Maxwell3D
においてナイロンの誘電率の追加）今後の課題
飛跡検出器
荷電粒子がガス中を走り抜けると、
その飛跡に沿って電子が電離
その電子雲を緩やかな電場をかけ、
一定の速度でドリフトさせることで 飛跡が再構成できる
Z
軸情報：ドリフト時間 ＸＹ軸情報：