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

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 SN1006 かに星雲 • 天体からのX線の偏光測定 • 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 • 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検出器ワークショップ（2005年5月11日＠理研）

X線偏光計 電場ベクトル（偏光） drift plane X線光電子偏光 GEM 増幅信号 readout ASIC 光電子の軌跡（5keV, Ne, simulation） Bellazzini et al. （2004） 800um 100um • 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 GEM-1 GEM-2 GEM-3 readout ガス ~150μm 銅 5um ポリイミド 50um 銅 5um • 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 CERNにおいて開発（１９９６）電子イオン 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）

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 3.反対側からレーザーで穴あけ問題点： 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～）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）

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. CERNp~10-3 @ gain~5000 レーザー加工GEMの特性 Ar+CO2(30%) 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）

50um ピッチGEMの製作 Hole 30um Pitch 50um ×√3 Laser-GEM CERN-GEM(60/40) CO2 excimer • 基本的な製作技術を確立 • 熱問題の解決 excimer CO2 140μm 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） X線電場ベクトル（偏光） drift plane 光電吸収光電子 GEM 増幅 GEM:140um double Gain~500 55Fe 信号 pixel number Y readout ASIC pixel number X pixel number Y readout ASIC （100μmピッチ、50fps読出し） pixel number X AJAT/Acrorad DIC 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）

GEMの応用例 Breskin, 2005 • 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）

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