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

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1 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）

2 研究の背景 天体からのX線の偏光測定 困難な点 X線の偏光検出 偏光＝新しい物理量 新しい分野を切り拓く可能性 フラックスが極端に少ない
（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 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） コンプトン散乱（＞20keV ⇒三原） 天体の磁場構造など かに星雲 SN1006 検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

3 X線偏光計 光電効果 X線検出器 光電効果を利用した偏光計 問題点 光電子トラックの方向～偏光方向 固体検出器（CCDなど） ガスカウンター
drift plane 光電子 増幅 信号 readout ASIC GEM 電場ベクトル（偏光） X線 光電効果 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） 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） 東工大・京都大（MSGC、μ-PIC） 理研、ピサ大、NASA（GEM） 問題点 短いトラック長 多重散乱 方向情報の消失 50umピッチ程度のGEMが必要 光電吸収 800um 100um 偏光 光電子の軌跡（5keV, Ne, simulation） Bellazzini et al. （2004） 検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

4 ガス電子増幅フォイル（GEM） ガス 銅 ポリイミド CERNにおいて開発（１９９６） 多段による増幅が可能 放電確率の低減
readout GEM-1 GEM-2 GEM-3 drift plane 電子 ~150μm イオン 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 銅 ポリイミド 5um 50um ガス Sauli, 1997 応用：粒子トラキング、光検出器（UV、X線） 検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

5 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 2.片側からレーザーでカプトンに穴あけ 3.反対側からレーザーで穴あけ 5um 　Cu 50um Kapton 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 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 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）

6 レーザー加工GEMの特性 ゲイン特性（5.9keV X-ray） 放電特性（α,241Am） ケミカルエッチングGEMと同等のゲイン特性
Ar+CO2(30%) ゲイン特性（5.9keV X-ray） 1GEM: 2GEM: 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: gain~20000 cf. gain~5000 2-LGEM 3-LGEM 2-LGEM 1-LGEM CERN CERN-GEM(*) 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 (*) CERN-GEM discharge Bachmann et al., NIMA479 検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

7 50um ピッチGEMの製作 基本的な製作技術を確立 excimer 熱問題の解決 CO2 CO2 excimer 140μm
Pitch 50um ×√3 Hole 30um Laser-GEM 140μm 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）

8 信号読み出し回路（CMOSセンサー） X線 １光子 回路系の開発をどこかと共同で進めたい AJAT/Acrorad DIC
drift plane 光電子 増幅 信号 readout ASIC GEM AJAT/Acrorad DIC 電場ベクトル（偏光） X線 光電吸収 readout ASIC （100μmピッチ、50fps読出し） GEM:140um double Gain~500 55Fe pixel number X pixel number Y X線 １光子 回路系の開発をどこかと共同で進めたい 検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

9 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 大面積の光電子増倍管 Breskin, 2005 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）

10 まとめ 宇宙X線の偏向測定を目指す 微細なガス電子増幅フォイルを開発 CMOSセンサーとの組み合わせ 他分野への応用
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）