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

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– 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（１～３０ keV ）

– コンプトン散乱（＞ 20keV ⇒ 三原）

かに星雲

SN1006

天体の磁場構造など

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電場ベクトル（偏光）

X 線

drift plane

光電子

増幅

信号

readout ASIC

GEM

光電吸収

800um 100um

偏光

光電子の軌跡（ 5keV, Ne, simulation ）

Bellazzini et al. （ 2004 ）

• 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

X 線偏光計

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• 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

ガス電子増幅フォイル（ GEM ）

readout

GEM-1GEM-2GEM-3

drift plane電子

イオン

銅ポリイミド銅

5um

50um

5um

ガス

Sauli, 1997

~150μm

CERN において開発（１９９６）

応用：粒子トラキング、光検出器（ UV 、 X 線）

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レーザー加工によるＧＥＭの製作

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)

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 　 Cu50um Kapton5um 　 Cu

レーザー加工 GEMでは我々は世界最高水準

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～）

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レーザー加工 GEM の特性

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

1-LGEM

CERN

2-LG

EM

3-L

GE

M

2-L

GE

M

CE

RN

-GE

M(*

)

(*) CERN-GEM dischargeBachmann 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

Ar+CO2(30%)

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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

Pitch 50um ×√3

Hole 30um

Laser-GEM

CERN-GEM(60/40)CO2

excimerCO2

140μm

ケミカルエッチングの限界

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drift plane

光電子

増幅

信号

readout ASIC

GEM

信号読み出し回路（ CMOS センサー）

readout ASIC （ 100μm ピッチ、 50fps 読出し）

電場ベクトル（偏光）X 線

光電吸収

AJAT/Acrorad DIC

GEM:140um doubleGain~50055Fe

pixel number X

pixel number X

pixe

l num

ber

Ypi

xel n

umbe

r Y

X 線１光子

回路系の開発をどこかと共同で進めたい

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Breskin, 2005

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

利用・共同開発希望はありますか？

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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