理研における
ガス電子増幅フォイル(GEM)の開発と
その応用
牧島宇宙放射線研究室 玉川 徹
角田奈緒子、早藤麻美 (東理大・理研)、牧島一夫(東大理・理研)、桜井郁也(名大)、
宮坂浩正(Caltech)、門叶冬樹(山形大理)、浜垣秀樹(東大CNS) 、犬塚将英(東文研)
研究目的(宇宙X線偏光計)
ガス電子増幅フォイル(GEM)の製作と性能
読み出し回路(CMOSセンサー)
GEMの応用(ガスフォトマル)
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
研究の背景
• 天体からのX線の偏光測定
天体の磁場構造など
– 偏光=新しい物理量
(cf. 時間、空間、エネルギー)
– 新しい分野を切り拓く可能性
• 困難な点
かに星雲
– フラックスが極端に少ない
– 光子1つの電気ベクトルの測定が必要
• X線の偏光検出
– ブラッグ反射(効率が悪い)
– 光電効果(1~30keV)
SN1006
– コンプトン散乱(>20keV ⇒三原)
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
X線偏光計
• 光電効果
drift plane
電場ベクトル(偏光)
– 光電子トラックの方向~偏光方向
• X線検出器
– 固体検出器(CCDなど)
X線
光電子
光電吸収
– ガスカウンター
• 光電効果を利用した偏光計
– 山形大(キャピラリー)
GEM
増幅
信号
– 東工大・京都大(MSGC、μ-PIC)
readout ASIC
– 理研、ピサ大、NASA(GEM)
光電子の軌跡(5keV, Ne, simulation)
• 問題点
– 短いトラック長
– 多重散乱
偏光
• 方向情報の消失
– 50umピッチ程度のGEMが必要
800um
100um
Bellazzini et al. (2004)
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
ガス電子増幅フォイル(GEM)
drift plane
CERNにおいて開発(1996)
電子
~150μm
ガス
銅 5um
ポリイミド
50um
銅
5um
Sauli, 1997
応用:粒子トラキング、光検出器(UV、X線)
イオン
GEM-1
GEM-2
GEM-3
readout
• 多段による増幅が可能
– 放電確率の低減
– 高ゲインの実現(~106)
• 増幅部と読み出し部の分離が可能
– 独立した開発と改良が可能
– 放電による回路破壊の防止
• 他の検出器の前置増幅器として動作
– MSGC, μ-PIC, MicroMEGAS
• イオンフィードバックの抑制
• 二次元増幅が可能
• 比較的安価に製作が可能
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レーザー加工によるGEMの製作
問題点: GEM製作方法:ケミカルエッチング(標準的) 100umピッチが限界
解決策: レーザーを用いた独自加工の方法を検討・実行 (2003~)
1.ケミカルエッチングで銅に穴あけ
5um Cu
50um Kapton
5um Cu
 加工の特徴
– 銅自身をマスクとして用いる
 CO2レーザーの特徴
– スミア(カーボン)が出にくい
2.片側からレーザーでカプトンに穴あけ
– 銅を傷めない
– テーパーが少ない(チャージアップしない)
– 加工面がきれい(放電に強い)
 他のレーザー加工をしているグループ
3.反対側からレーザーで穴あけ
– NASA/GSFC:excimer laser
• 動作したのは一枚のみ
– H.Cho et al., IEEE Tran. (1999)
レーザー加工GEMでは我々は世界最高水準
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
レーザー加工GEMの特性
Ar+CO2(30%)
 ゲイン特性(5.9keV X-ray)
– 1GEM: [email protected]
– 2GEM: [email protected]
– 3GEM: >105
– 特性はCERN-GEMと同等以上
 放電特性(α,241Am)
– 1信号あたりの放電回数
– 2GEM: p~10-3 @ gain~20000
cf. CERN p~10-3 @ gain~5000
•
(*) CERN-GEM discharge
Bachmann et al., NIMA479
•
ケミカルエッチングGEMと同等の
ゲイン特性
より良い放電特性
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50um ピッチGEMの製作
• 基本的な製作技術を確立
– 熱問題の解決
excimer
CO2
Hole 30um
Pitch 50um ×√3
Laser-GEM
CO2
excimer
CERN-GEM(60/40)
ケミカルエッチングの限界
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信号読み出し回路(CMOSセンサー)
AJAT/Acrorad DIC
X線 電場ベクトル(偏光)
drift plane
光電子
増幅
信号
readout ASIC
GEM
readout ASIC (100μmピッチ、50fps読出し)
pixel number Y
光電吸収
GEM:140um double
Gain~500
55Fe
pixel number Y
pixel number X
X線
1光子
回路系の開発をどこかと共同で進めたい
pixel number X
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
GEMの応用例
• ガス光電子増倍管(ガスフォトマル)
– 1光子検出が可能
– イメージング能力あり
– 磁場中でのオペレーションが容易
• 磁場に垂直に入れても動作する
– 管内を1気圧に保てる
Breskin, 2005
– 大面積の光電子増倍管
利用・共同開発希望はありますか?
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
まとめ
• 宇宙X線の偏向測定を目指す
– ガスカウンターを用いた検出器
• 微細なガス電子増幅フォイルを開発
– エッチングとレーザー加工の組み合わせ
– ケミカルよりも微細、性能向上
• CMOSセンサーとの組み合わせ
– 読み出し回路系の開発を進めたい
• 他分野への応用
– ガスフォトマルなど
検出器ワークショップ(2005年5月11日@理研)
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理研におけるガス電子増幅フォイルの開発とその応用