Transcript 理研におけるガス電子増幅フォイルの開発とその応用

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
検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）
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: ~3000@570V
– 2GEM: ~80000@490V
– 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
検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）
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
検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）
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）