■ 研究紹介

微細加工技術を用いたガス・マイクロパターン検出器 µ-PIC の開発とその応用
京都大学 大学院理学研究科 物理学第二教室 宇宙線研究室

永 吉 勉、身 内賢 太 朗、窪 秀 利、谷 森

達

nagayosi, miuchi, kubo, tanimori@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp

1. ピクセル検出器開発の背景

では高エネルギー物理分野では MSGC の開発は下火となり、中性子検出器として使用されるのみである。

最近、高エネルギー物理学の世界でも微細加工技術

われわれも放射光の大強度 X 線ビームでは MSGC のを用いたガス・マイクロパターン検出器の話がよく聞か放電が問題となり、実際の利用まで到達することは困難れるようになってきた。マイクロパターン検出器というと判断した。しかし、MSGC の利点は捨て難く、われ呼び名が広がったのはつい数年のことであるが、開発はわれはこの利点と安定性を併せ持つ電極構造を模索しすでに十年以上の歴史がある [1]。

た。ワイヤーチェンバーで放電が起こりにくいのは、強従来のガス増幅検出器 (ワイヤーチェンバーや Multi

電場が陽極のみに集中し、陰極での電場が弱いためであWire Proportional Chamber; MWPC) は細い陽極ワイる。この特徴を生かすには、図 1 のような比例計数管をヤーのまわりの高電場によるガス電子雪崩による増幅輪切りにしたような円筒形電極を形成するのがよいの作用を用いた検出器である。ただし、ワイヤーを用いはすぐにわかる。

る限りは位置分解能、計数率、量産性などに限界がある。これを克服するために、基板上に電極を形成するワイヤレスの検出器が開発された。1987 年、フランスのILL 研究所の Oed は、薄いガラス基板の上にリソグラ
フィの技術により幅 10µm、100µm の陽極、陰極を交互に 200µm 間隔で印刷した Micro Strip Gas Chamber(MSGC) を開発し、世界で初めてワイヤレス検出器を実現した。この狭い電極間隔により 100µm 以下の位置分解能、MWPC の 1000 倍以上の高計数率が簡単に実現でき、それ以降世界で多くの開発が行なわれた。
われわれは 1990 年代始めから最先端の高密度実装技術を用いて、厚さ 20µm のポリイミド薄膜を用いた 10cm
角 MSGC の開発を行なってきた。われわれの MSGC では、陽極と直交する方向に薄膜の裏面に配置したバックストリップ電極を用いて二次元読み出しを実現した。同時に X 線画像装置を開発し、世界で初めて MSGC を用

図 1. µ-PIC の構造。厚さ 100µm のポリイミド基板のいた X 線による結晶構造解析を行ないその高い能力を両面に陰極、陽極ストリップが 400µm 間隔で互いに垂示した。これらは物理学会誌にまとめられている [2]。

直に配されている。直径 50µm の陽極がポリイミド基

このような優れた特性を持つ MSGC であるがいくつ板を貫いて、陰極ストリップの円形の穴の中心に形成さかの克服が困難な問題がある。MSGC は電極の端付近れている。電極の顕微鏡写真を左上に示す。

で電場が非常に強くなり、放電が起こりやすい。特に電離損失が大きい荷電粒子に弱く、安定動作可能なガス利得は数百程度であった。さらに MSGC の非常に繊細なこの電極構造を実現するためにわれわれが目を付け電極は数度の放電で完全に破壊されてしまう。また、放たのがプリント回路基板技術である。最近は LSI の高射線が作る蓄積電荷による空間電荷効果で電場構造が密度実装のために 100µm 直径以下のスルーホール技術時間的に変化し、利得の変化を起こす。このため、現在が開発されている。50µm 直径が実現できれば 100µm

の厚い基板とそれを貫く陽極の柱が形成できると考え、

われは、三次元電磁場解析プログラム “Maxwell” [5] とこの Micro PIxel Chamber (µ-PIC) の開発を 1999 年

ワイヤーチェンバーのためのシミュレーションプログラから始めた [3]。プリント基板技術は IC 技術と異なり

ム “Garfield” [6] を用いて基板の厚さを変化させながら30cm 角程度の大型化が可能であり、基板自体の耐久性にも優れている。基板であるため回路との接続性も抜群

図 2 のように基板が薄い場合は多くの電子が陽極で集である。さらに開発、製作コストが IC 用リソグラフィめられないことがわかった。このとき電子収集効率、即と比べかなり安いという大きな利点もあり、量産コストち入射粒子によって電離された電子のうち陽極で収集も大幅に下がると思われる。

µ-PIC における電子のドリフトを計算した。その結果、されたものの割合は約 40%となっている。これは、実われわれはこれらの利点を生かし MSGC では実現が際に測定されるガス増幅率は印加電圧から計算される困難であった利得 10000 以上 (サブミリピッチで最小値の約 40%になることを意味する。これに対して、基電離粒子を検出するのに必要な利得) で安定に動作し、板の厚さが 100µm あれば 90%の電子を集めることがで30cm 角程度の大型検出器を実現することを目標として開発を進めている。この検出器はプリント基板一枚のみきる。

でできている。非常に薄く、操作も簡単で量産可能な二次元ガス放射線検出器を実現できれば、今までのワイヤーチェンバーでは想像出来なかった新しい応用が色々0.080.07出てくると期待できる。今回は、この目標にかなり近付いた開発状況と興味ある応用を紹介する。

0.060.050.04

2. µ-PIC の構造と基本性能

0.03

2.1. 電極構造と特徴

0.02µ-PIC は、厚さ 100µm のポリイミド基板の両面に互いに垂直に 400µm 間隔で配置した陰極·陽極ストリップ0.01からなる。陰極ストリップには 400µm 間隔で円形の穴

5µm thick
00100µm thick

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08があり、その中心に基板を貫いて 50µm 径の陽極ピクセルを形成している (図 1)。
われわれがこれまで開発してきた MSGC では、バックストリップ電極に誘起した電荷を利用して二次元読み出しを行なっていたが、この電荷は陽極で収集される電荷の 20∼30% 程度しかないため、ガス利得を陽極

図 2. 電子ドリフトの終端点の分布。左半分は基板厚さが 5µm の場合、右半分は基板厚さが 100µm の場合を表す。基板厚さが 5µm の終端点は基板裏面に縦に走る読み出しストリップに引っ張られているのが分かる。

から十分な信号を得るのに必要な値より高くせざるを得なかった。また、このバックストリップ電極は前述の誘電体表面への電荷蓄積をもたらす。これに対してまた、検出器の安定性を考える上では電極周囲の電場µ-PIC では垂直に配置した陽極と陰極でガス電子雪崩強度が重要である。基板が薄い場合、厚い場合それぞれによる電子·イオンを直接収集するので、両極からほぼについて基板表面付近の電場を計算した結果を図 3 に等しい大きさの信号が得られる。また、バックストリッ示す。薄い基板では基板表面の陰極と基板裏側の読み出プ電極を必要としないので、原理的に誘電体表面への陽し線の間の距離が短くなり、ここに強い電場ができる。

イオンの蓄積は起こらない。ピクセル状の電極構造は、特に陰極·基板·ガスの境界では誘電率の不連続によって90 年代半ばに Micro-Dot という検出器で提案されている [4]。この検出器は IC の技術でシリコン基板上に電局所的に非常に電場が強くなる。このような強電場の極を形成するため、非常に薄い絶縁層を持つ。これに対す。この電子は直ちに電子雪崩を起こし、これが放電のして µ-PIC はプリント基板の技術で厚いポリイミド基一因となると考えられる。これに対して基板厚さが電極板を使用するという大きな違いがある。このタイプの検間距離より大きければ電場構造はワイヤーチェンバーに出器には必ず裏面の読み出し電極が必要であるが、絶縁近付き、陰極エッジ付近でもあまり電場が強くならず、層が薄いとこれによる電場の影響が大きくなる。われ陰極からの電子放出による放電は起こりにくくなる。

もとでは、電界電子放出によって金属から電子が飛び出300

substrate
5 µm

250

200 µmeffective gas gain

E [kV/cm]

350

100 µmAr 80% + C2H6 20%
Ar 90% + C2H6 10%10420015010010350400420440460480500520540234560580 600 620
anode HV [V]0-50 anode0 20cathode406080 100 120 140 160 180 200r [µ m]図 3. 陽極·陰極間に 600V の電圧を印加した場合の電極表面近くにおける電場強度の基板厚さによる違い。一点

4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
08Anod 7 6e

鎖線、実線、破線がそれぞれ基板厚さが 5µm、100µm、200µm の場合を表す。

以上のように、µ-PIC は陽イオン蓄積などの問題の他、放電などマイクロパターン検出器の宿命とも思われていた問題をも解決し得る検出器である。われわれ5432115687eCathod

図 4. ガス利得の印加電圧による変化 (上) および場所による分布 (下)。利得の場所分布はアルゴン-エタン (20%)
混合ガスでの測定。

は、陰極·陽極がそれぞれ 256 本ずつ (陽極ピクセル数は65536 個) ある検出面積 10×10cm2 の µ-PIC を開発し、基本性能試験および様々な応用への基礎実験を行なっている [7, 8, 9]。

2.2. 基本性能
大気圧のアルゴン-エタン混合ガスを使用し、55 Fe 線源 (5.9keV) を照射したときのガス利得の電圧依存および位置依存性を図 4 に示す。ここでは、検出面を 8×8の領域に分割し、その領域ごとにガス利得を測定している。この試験の結果、約 7%以内の一様性が得られた。
これは、全検出面積にわたってきわめて一様な電極が形成されていることを意味する。また、最高ガス利得は 1.6×104 に達し、やや抑えたガス利得 (∼6000) では、一ヶ月を越える連続動作を達成した。この連続動作の間、陽イオンの蓄積によるガス利得の変動は見られなかった。ほとんどの応用にはこのガス利得で十分であるが、目標とする 104 以上のガス利得を得るにはあと少しの改良が必要である。これについては第 4 節で述べる。

図 5. 基準プレートとオシロスコープのプローブの Xµ-PIC の位置分解能の評価には、X 線による光電子線透過像。基準プレートの数字は 1mm 当りのスリットの飛程が短いキセノンガスを使用した。また、電子の拡の本数を示す。プローブ内のスプリングもはっきりと見散を最小限に抑えるためにドリフト層の厚さを 1mm にえる。

制限した。図 5 に約 10keV の X 線による基準プレートの透過像を示す。この図から 0.5mm 間隔のスリットがわれわれが開発しているガンマ線カメラはガンマ線到分離できる程度の像が得られていることがわかる。さら来方向を事象毎に一意に決定することが可能となる上、に、基準プレートの端の像で評価すると 120µm (RMS)

到来方向決定に必要でない測定角を用いて運動学的にの位置分解能が得られた。この値はディジタル式画像処d理システム [10] の理論的限界 √  115µm(d は電極12間隔) に非常に近い値である。

カットを施し、バックグラウンドフリーなイメージを得

3. µ-PIC の応用ることが可能である。

~1MeV γ~10MeV γ
Drift plane3.1. マイクロ TPC[11]われわれは開発した µ-PIC に 8cm のドリフト層を取りつけ、10 × 10 × 8cm3 の検出容積を持つマイクロTime Projection Chamber (TPC) を製作した。マイクe-

ロ TPC を用いた測定で図 6 に示すような荷電粒子の飛e-e+跡が検出され、電子の多重散乱の様子がはっきりと検出可能であることを示した。陽子の飛跡を直線フィットすることで一点当りの三次元的空間分解能 260µm を得た。現在この分解能を改善すべく位置算出回路のクロックアップ (20MHz →50MHz) を行っている。

µ-PIC

PMTs
Scintillatordrift [cm]図 7. ガンマ線カメラの概念図。反跳電子の三次元飛跡
8とエネルギーをマイクロ TPC で、散乱ガンマ線の方向7とエネルギーを取り囲むシンチレータで検出する。

6543われわれはマイクロ TPC を 10 × 10 × 2.5cm3 の21010an 9od 8e 76[cm 5] 4NaI(Tl) アンガーカメラと組み合わせたガンマ線カメラのプロトタイプを開発、原理実証試験を行った。図 8108 96 7 de [cm]35o42cath
12 30 0 1にプロトタイプで得られたガンマ線のイメージを示す。
今後、µ-PIC およびシンチレータの性能向上、30cm 立方のガス容積を持つ実機の製作を行い、気球実験で実際の天体からのガンマ線を観測する予定である。

図 6. マイクロ TPC で検出された荷電粒子の三次元飛跡。丸印で 100-500keV の電子、四角印で 0.8GeV の陽子を示す。

3.3. 時分割型中性子検出器 [13]時分割可能な中性子検出器は、今後 J-PARC などのパルス中性子ビームで必須となる。われわれは 3 He の熱中性子反応 n + 3 He → p + 3 H で生成される陽子とトリトンの飛跡を取得するという原理に基づいた検出3.2. ガンマ線カメラ [12]われわれはマイクロ TPC での電子の飛跡検出を応用器の開発を進めている。従来の中性子検出器は気圧を高したガンマ線カメラの開発を進めている。ガンマ線カのがほとんどだが、本検出器はブラッグカーブから陽子メラの概念図を図 7 に示す。従来開発されてきたガンマとトリトンの粒子識別が可能であることを利用、1 ∼ 2線カメラでは、コンプトン散乱の反跳電子の飛跡に関気圧程度の簡単な装置となる点が新しい。

くして飛跡を短くし、反応点の位置分解能を追求するもする情報が失われていたため、事象毎のガンマ線到来

われわれは概念実証試験として、気密容器をアルゴン-方向は真の方向を含む円錐上にしか制限できなかった。

CF4 (20%)-3 He(2%) で 1.1 気圧に加圧、ガス利得 1000程度での測定を行った。マイクロ TPC に 252 Cf 源からの中性子を照射、陽子とトリトンの三次元飛跡を取得
18Y [cm]

15をシミュレーション結果と合わせて図 9 に示す。シミュ

14レーションで見られる特徴的なブラッグカーブが実際に12観測され、マイクロ TPC を用いた時分割可能な中性子10検出器の原理が実証された。今後、位置分解能、検出効8率などの性能評価を行い、実用化へと開発を進める予定

1050-5した。得られた飛跡と各飛跡に対応するブラッグカーブ

166である。

4-102-15-15-10-5051015X [cm]03.4. 暗黒物質探索実験 [14]ガス検出器を用いた暗黒物質の直接探索実験は、大質量の検出器で計数率の数 % の季節変化を捉えるという現在の手法と比較して、確度の高い信号が期待されるため、非常に有力な手法であると言われている。銀河中

図 8. プロトタイプガンマ線カメラで得られたガンマをランダムな方向に運動すると考えられている暗黒物線画像。検出器から 5cm 離れたところに置かれたコリ質と太陽系の相対的な運動によって、地球には「暗黒物メートなしの 2 個の 137 Cs 線源 (662keV) がはっきりと質の風」が吹き付けている。ガス検出器を用いた実験で分離されている。

は、暗黒物質との弾性散乱で原子核が前方に片寄って反跳を受けることによってこの風を直接検出することが可能となる。われわれは開発したマイクロ TPC の性能1200に基づいて暗黒物質探索の感度を計算した [14]。マイク

neutron1000
dE/dx [keV/cm]

protonロ TPC で観測が期待される原子核反跳事象は図 10 にtriton

800示すように前方に大きく寄ることが期待され、確度の高600

い暗黒物質検出が可能となると考えられる。今後、長期

400

間安定動作、低圧での動作試験の後、大容積 (1m3 級)

20001.2

10.80.60.40.2

00.2の検出器を製作、地下実験を行う予定である。

0.4

track length [cm]uPIC8 20040107 per1

anode[cm]5432
10-1-2-3-4-5
10 9

counts/3m3 year/bin

file 32 event 339

FT (cos γ 0=0)

MWIMP=80GeV, σ p-WIMP=0.1pb

403530
NS: 12 events

25

NL: 201 events

20
15
10
50-1-0.8-0.6-0.4-0.2-00.2

0.4

0.60.8

1cos γ765432ca8

drift[cm]

thode[cm]543210-1-2-3-4
1 0 -5

図 10. 暗黒物質による原子核反跳の角度分布。単純に前後の比較をするだけで十倍以上の違いがある。網掛け部が暗黒物質で期待されるシグナル、黒が中性子バッ

図 9. (上) ブラッグカーブのシミュレーション結果。(下)典型的な熱中性子吸収による三次元飛跡と得られたブラッグカーブ。

クグラウンド。

4. 今後の開発と展望
上記のような様々な応用のために、現行の 9 倍の検出面積を持つ 30×30cm2 の大面積 µ-PIC の開発を進め、以上、微細構造を用いたガス検出器 µ-PIC の開発から性能評価、各種応用への基礎実験まで簡単に述べてきた。大面積、安定動作、簡単な構造などの特徴を持つ本検出器の応用はわれわれが現在進めている以上に遥か

これまでに図 11 に示す様な µ-PIC が製作された。現在に幅広いものと考えている。この研究紹介を通じて、わは基板と電極材料の熱膨張率の違いによって検出面の端れわれの思いつかない様な応用が生まれれば幸甚であに近いところでは裏面の陽極パターンと表側のピクセる。なお、この研究は京都大学大学院理学研究科物理学ルパターンがずれるという問題があるが、製作技術の向第二教室宇宙線研究室所属、竹田敦氏、折戸玲子氏、植上が進んでおり、この問題が解決され 30×30cm2 の大面積 µ-PIC がまもなく完成すると考えている。

野優氏、高田淳史氏、岡田葉子氏との共同研究である。
彼等の常日頃からの熱心な研究活動に敬意を表しつつ筆を置きたい。
参考文献[1] F. Sauli, Nucl. Instr. Meth. A 477 (2002) 1 andthe references therein.
[2] 谷森達、越智敦彦、西勇二、日本物理学会誌 55(2000) 420.
[3] A. Ochi, et al., Nucl. Instr. Meth. A 471 (2001)
264, A. Ochi, et al., Nucl. Instr. Meth. A 478(2002) 196.
[4] S. F. Biagi, et al., Nucl. Instr. Meth A 361 (1995)
72.
図 11. 開発中の 30×30cm2 の検出面積を持つ µ-PIC（それぞれの部分での性能評価を行うため、9 つに分割したマスクを使用している。）

また、µ-PIC は MWPC と比較して複雑な構造をしているため、2 節で述べたように Maxwell を用いた三次元シミュレーションは性能の定量的評価、構造の改良に不可欠かつ有力な手段である。現在、これを用いてより安定に高いガス利得で動作させるための電極構造を設計している。これまでに開発した µ-PIC では 104 を越えるガス利得が得られているが、この条件で安定に動作させるためには若干の改良が必要である。2.1 節で述べたように、基板が厚いほど放電は起こりにくい。従って、現行の 100µm よりも基板を厚くすれば陰極端での電場はより弱くなるのでより高い電圧が印加できるようになり、結果として高いガス利得が得られると予測できる。現行の µ-PIC で得られているガス利得 (∼ 104 )のときの電場の条件をもとに、基板を厚くしたときに期待されるガス利得を計算すると、基板厚さが現行よりわずかに厚い 150µm あれば、少なく見積もっても 105 になる [8]。これを実現するためには、直径 50µm、深さ150µm の高アスペクト比のスルーホールを必要とするが、プリント基板技術の進歩によって近いうちにこれも可能になると期待している。

[5] Maxwell 3D Field Simulator, Ansoft Corporation,
http://www.ansoft.com[6] R. Veenhof, Nucl. Instr. and Meth. A 419 (1998)
726.
[7] T. Nagayoshi, et al., Nucl. Instr. Meth. A 513(2003) 277.
[8] T. Nagayoshi, Doctoral thesis, Kyoto University,
2004.
[9] T. Nagayoshi, et al., submitted for the Proceedings of the ”Imaging2003” July, 2003, Stockholm,Sweden, A. Takeda, et al., submitted for IEEE
Trans. Nucl. Sci.
[10] A. Ochi, Doctoral thesis, Tokyo Institute of Technology, 1998.
[11] H. Kubo, et al. Nucl. Instr. Meth. A 513 (2003)
94, K. Miuchi, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 50(2003) 825, K. Miuchi, et al., submitted for theProceedings of ”VCI 2004”.
[12] R. Orito, et al., Instr. Meth. A 513 (2003) 408,T. Tanimori, et al., New Astronomy Rev. 48(2004) 263-268, R. Orito, et al., submitted for
the Proceedings of the ”Imaging2003” July, 2003,
Stockholm, Sweden, 高田淳史, 修士論文, 京都大学, 2004.
[13] K. Miuchi, et al., Nucl. Instr. Meth. A 517 (2004)
219.
[14] T. Tanimori, et al., Phys. Lett. B 578 (2004) 241.