PowerPoint プレゼンテーション

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
GEM開発目的と目標
X-ray
光電子
ガス
GEM
トラッキング
 宇宙Ｘ線偏光計の開発（225keV）
– 偏光＝新しい物理量による観測
ファインピクセル検出器
– 光電子の放出方向～Ｘ線の電気ベクトル
光電子の軌跡（5keV, Ne, simulation）
– 日本で先駆的な研究
• 山形大学（キャピラリーCCD）
偏光
• 京都大学（MSGC）
– GEMの応用
800um四方
400um四方
Bellazzini et al. （2004）
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？
200um四方
100um四方
– 50umピッチGEMの製作
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
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）
– 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）
– 大量生産に向く
– 100umピッチ程度が限界
– 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
CO2レーザーによるGEMの製作
1.ケミカルエッチングで銅に穴あけ
5um Cu
50um Kapton
5um Cu
2.片側からレーザーでカプトンに穴あけ
 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
3.反対側からレーザーで穴あけ
– 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
4.洗浄（デスミア：すす払い）
– ピッチ/穴径=140um/70um
=100um/50um
=50um/30um
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
微小ピッチのGEM比較
Hole 30um
Pitch 50um ×√3
CERN-GEM(60/40)
Laser-GEM

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
3M-GEM(140/70)
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
実験セットアップ
5.5mm
1mm
• 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
レーザー加工GEMの特性
140/70um GEM
 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
55Fe
source
dE/E=２４％(FWHM)
2LGEM
@g~103
(*) CERN-GEM discharge
Bachmann et al., NIMA479
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
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
– 水蒸気を加える
Bouclier et al, NIMA396, 50 (1997)
Benlloch et al. NIMA419, 410 (1998)
– 穴を円筒形に
low rate
RIKEN-140（レーザー加工）
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
RIKEN-GEM 穴ピッチとゲイン変化
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
ピッチ（um）
2004年12月3日MPGD研究会＠京大
開発方針
• 目標： 50umGEMの安定した製作
• パラメーターサーチ
– 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
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

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