理研におけるレーザーを用いた ガス電子増幅（GEM）フォイルの開発

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1 理研におけるレーザーを用いた ガス電子増幅（GEM）フォイルの開発
理化学研究所　宇宙放射線研究室　玉川　徹 角田奈緒子、早藤麻美（理研・理科大） 牧島一夫（東大・理研）、浜垣秀樹（CNS）、犬塚将英（文化財研） 門叶冬樹（山形大）他、理研GEM開発チーム 1. GEM開発目的 2. レーザー加工 3. 基礎特性 4. 開発の問題点と今後の予定 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

2 GEM開発目的と目標 宇宙Ｘ線偏光計の開発 （2-25keV） どの程度の空間分解能が必要？ GEM X-ray 光電子
ファインピクセル検出器 ガス トラッキング 宇宙Ｘ線偏光計の開発 （2-25keV） 偏光＝新しい物理量による観測 光電子の放出方向～Ｘ線の電気ベクトル 日本で先駆的な研究 山形大学（キャピラリーCCD） 京都大学（MSGC） GEMの応用 Pisa大学（ASIC）、NASAゴダード（TFT） ⇒いずれもGEMがネック どの程度の空間分解能が必要？ 50umピッチGEMの製作 偏光 800um四方 400um四方 200um四方 100um四方 Bellazzini et al. （2004） 光電子の軌跡（5keV, Ne, simulation） 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

3 GEMの加工方法とその特徴 ウエットエッチング（ケミカルエッチング） ドライエッチング（プラズマエッチング） レーザーエッチング
大量生産に向く 100umピッチ程度が限界 CERN, 3Mなど ドライエッチング（プラズマエッチング） 東大CNS レーザーエッチング 小さなピッチの加工ができる 理研・渕上ミクロ（2003年～） 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

4 CO2レーザーによるGEMの製作 銅自身をマスクとして用いる 炭酸ガスレーザー 加工面積 製作したGEM スミア（カーボン）が出にくい
1.ケミカルエッチングで銅に穴あけ 銅自身をマスクとして用いる 炭酸ガスレーザー 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 加工面がスムーズ 加工面積 1ショット1.8×0.9mm2 3×3cm2 なら～10分 最大15×15cm2 (レーザー加工機の制限) 製作したGEM ピッチ/穴径=140um/70um =100um/50um =50um/30um 5um 　Cu 50um Kapton 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 4.洗浄（デスミア：すす払い） 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

5 微小ピッチのGEM比較 レーザー加工による最小ピッチ： 50/30um CERNによる最小ピッチ： 60/40um ケミカルエッチングの限界
pitch~90um これ以下だと、欠陥が増加 Pitch 50um ×√3 Hole 30um Laser-GEM CERN-GEM(60/40) 3M-GEM(140/70) 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

6 実験セットアップ 測定条件 利用したGEM RIKEN 140/70 RIKEN 100/50 RIKEN 50/30 測定内容
1mm 5.5mm 測定条件 電圧印加方法 （抵抗チェーン） Ed=2.5kV/cm, Ei~5kV/cm, ⊿VGEM=300~600V ガスフロー Ar+CO2(30%) ⇒ CERNとの比較用 読み出し（1cm x 1cm パッド, 3 x 3） 測定内容 電圧vs.ゲイン特性 ：X線（55Fe） 電圧vs.放電特性 ：α線（241Am） 利用したGEM RIKEN 140/70 RIKEN 100/50 RIKEN 50/30 CERN 140/70 CERN 60/40 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

7 レーザー加工GEMの特性 140/70um GEM ゲイン特性（5.9keV X-ray） 放電特性（α,241Am）
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(*) dE/E=２４％(FWHM) 55Fe source 2LGEM @g~103 (*) CERN-GEM discharge Bachmann et al., NIMA479 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

8 ゲインの変動（charging-up） High rate ゲインが増加 原因：チャージアップ 解決策： 壁に導電性をもたせる
Benlloch et al. NIMA419, 410 (1998) High rate ゲインが増加 原因：チャージアップ 解決策： 壁に導電性をもたせる 水蒸気を加える Bouclier et al, NIMA396, 50 (1997) 穴を円筒形に CERN-140 RIKEN-140（レーザー加工） ゲイン～1.4倍 low rate 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

9 RIKEN-GEM 穴ピッチとゲイン変化 ピッチ（um） 350V 400V 450V 50um 100um 140um ピッチ狭⇒ゲイン大
アスペクト比（穴径/ピッチ） 140um, 100um : 0.5 50um : 0.6 3D電場計算が必要 50um GEMのゲイン特性は 140um GEMと同等以上 いずれもRIKEN-GEM 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

10 開発方針 目標： 50umGEMの安定した製作 パラメーターサーチ 低価格化 カプトン銅フォイルの材質（三社）
銅とカプトンの密着強度 レーザーの熱やエッチング液で剥がれ（G社） ポリイミドの導電性 レーザーの種類（CO2, excimer） デスミアの方法（プラズマ、ケミカル）→ 低価格化 レーザー加工までを一括処理 2004年12月3日MPGD研究会＠京大

11 パラメータサーチにより最適な加工方法を探る
まとめ レーザー加工を用いてGEMを製作した 穴径、ピッチを小さく 穴を円筒形に 正しくGEMとして動作することを確認 最小：ピッチ50um、穴径30um パラメータサーチにより最適な加工方法を探る 重イオン入射実験はやっていません 2004年12月3日MPGD研究会＠京大