絶縁層にテフロンを用いたGEMの性能評価
大阪市立大学 理学研究科 数物系専攻
もくじ・イントロ・基本特性・中性子実験

吉田武史
阪市大、KEKA、農工大B
中野英一、宇野彰二A、大橋賢太B、池口直人
KEK測定器開発研究室 MPGDグループ

Introduction• GEMには放電により壊れやすいという欠点がある

銅の溶解

原因

• 絶縁層の炭化によるものと仮定
解決策• 耐アーク性に優れたテフロンを絶縁層に使用した
ポリイミド
(PI)
耐アーク性(sec)135

液晶ポリマー テフロン(LCP)(PTFE)

185>300

参照：小宮一毅（東京都立産業技術研究センター）
2012年MPGD研究会発表

炭化テフロンについて• PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）• 通称テフロン• 耐アーク性に優れている• 但し、摩擦係数が小さいので電極の接着が難しい– >電極との密着性がよい基板が見つかった今回使用したGEMの紹介
以下の２種類を使用した
・N-PTFE-GEM ・R-PTFE-GEM
N,Rは基板の購入先の頭文字からとった

N-PTFE-GEM
孔径70μm
ピッチ140μm

約240μm

断面図

ガラスクロスの透過写真

テフロンGEMの表面

R-PTFE-GEM• 絶縁層 〜100μm• 電極 〜7μm• テフロンの強度補強のためフィラーと呼ばれる小さな粒が絶縁層に入っている• 孔径 70μm• ピッチ 140μm

N-PTFE-GEMの孔の様子• 先ほどの基板に今までのGEMと同様にCO2レーザーで孔をあける• 孔開けはサイエナジー社に委託
ガラスクロスの削り残りが見られた
140μm
100μm
70μm
GEMの断面図

測定方法
Gain、電場依存性、時間依存性の測定のセットアップの一例
55Fe

2MΩ

Cathode(mesh)

9MΩ

6mm

HV in(3300V)

6MΩ

PTFEGEM14MΩ

2mm

6MΩ

PTFEGEM22mm

8MΩ

Read Out

2200pF (トリガー)Fe-55でとったADCスペクトルガス Ar:CO2=(70:30)
Belle CDC Pre-AMP

信号

NIM & CAMAC

Gain• R-PTFEはN-PTFEよりも絶縁層が厚いため、より高い電圧を印加しなければ同程度のGainは得られない

gain

10000

1000

N-PTFER-PTFE

100
530580

630

680

ΔVgem

730

780

放電について• N-PTFEには時間により放電数が減っていったのでその様子を調べた• 放電に耐えうる電圧（耐電圧）の測定、またその電圧でのGainの比較
時間による放電数減少の様子
35
放電数(/100sec)

30
25
20486V

15564V

10622V500

100

200300400

耐電圧でのGain

N-PTFER-PTFE〜200〜100時間(min)

中性子検出で使用した電圧では約１時間で放電が収まった

N-PTFE-GEMの方がより高いGain
で放電に耐えることがわかった

R-PTFE-GEMの電場依存性
Drift領域

Induction領域

1.1

1.2
10.9

relative gain

relative gain

10.8
0.7
0.6
0.50.80.6
0.4
0.20.400.5

11.522.5

33.5

Ed (kV/cm)• 通常GEMと同様の結果になった• Drift領域でGainが下がっていくのはGEM表面に電子が吸着される数が増えたことによると思われる

400246810Ei (kV/cm)

Drift領域の電場が弱い場合

Drift領域の電場が強い場合

ED=500V/cm

ED=3000V/cm

ΔＶＧＥＭ＝３２０Ｖ

EI=1000V/cm

ΔＶＧＥＭ＝３２０Ｖ

EI=1000V/cm

N-PTFE-GEMの電場依存性
Induction領域

1.3

1.4

1.2

1.2

1.1

1

relative gain

relative Gain

Drift領域

10.90.80.70.80.6
0.40.20.6012345Ed (kV/ cm)• Drift領域、induction領域によるGainの電場依存性を調べた• Drift領域の電場依存性では開口率が高いGEMと似た結果が得られた

002468Ei (kV/cm)

100umGEMのdrift電場依存性

青：孔径90um
赤：孔径70um

10Gainの時間依存性• N-PTFE-GEMの方は約二時間で80%にGainが落ちて安定−> ガラスの削り残りが影響しているのか！？

• 一方、R-PTFE-GEMは少し振れるがほぼ一定のGainを保つ
時間依存性(N-PTFE)

時間依存性（R-PTFE）
1.2

110.80.8

relative gain

1.2

0.6
0.4

0.60.40.20.2000500

1000time(min)

1500

2000

0500

1000時間(min)1500

中性子照射実験＠北大LINAC

セットアップ
中性子ビーム2MΩ

Cathode(10B-GEM)

HV in
1.5MΩ

1mm
テフロン
GEM
or100μm
GEM

5.2MΩ

2mm8.2MΩ
高抵抗素材

Read Out
0.8mmピッチのX−Yストリップ

ガス Ar:CO2=(70:30)

信号①〜③のセットアップ①N-PTFE-GEM × 1②R-PTFE-GEM × 1③100μmGEM × 1④50μmGEM × 2
それぞれで直径0.5mmのPinholeを使い、位置分解能を比較した

印加電圧特性放電が起き始めたためプラトー領域に届く前に止めた

7060
50403020
100N-PTFE

767880828486

HV(%) 100% = 1780V

Counting rate (kHz)Counting rate (kHz)

通常100um

403020100788082848688HV(%) 100% = 1680

Counting rate (kHz)

通常50um２枚

R-PTFE-GEMでは必要なGainに到達する前に放電が起きてしまい、測定不可能だった。

8060402007678808284868890

HV(%) 100% = 2400V

R-PTFE-GEMの取得画像。Gain不足でムラがある

N-PTFE

通常100um

通常50um２枚
σ = 0.93 mm
FWHM = 2.18 mm

σ = 0.70 mm
FWHM = 1.64 mm

σ = 0.66 mm
FWHM = 1.56 mm

テール付近の様子• 絶縁層による中性子散乱の影響を3種類のGEMにより検証した• イベントが一番多かったstripを中心として、両脇のstripでのイベントを足して 3strip 分をピークの位置を揃えて比較した• テール付近のイベント数はN-PTFEが一番少ないが中性子散乱が減ったとはまだ言い難い
2000

25

1800

50um２枚1400

N-PTFE

1200

100um

1000
800
600

20event数

event数

1600

1550um２枚
10N-PTFE
100um

400

520009196101106ch111

116

091

96

101106ch111116

まとめ• 放電により壊れることは今のところない• R-PTFEよりもN-PTFEから作ったGEMの方が放電が少な
く、Gainをかせぐことが出来る• 但し、まだまだ放電を減らすように改良を考えていかなければならない• N-PTFE-GEMを積層すると放電が多く、使えなかった• 絶縁層による中性子散乱の抑制となっているかどうかはこれからも調査する必要があるおわり

Back Up

放電
• GEM裏面からトリガー信号を取り出し、放電の信号が正の方向へ伸び、その信号の戻り値が負の方向へ伸びる。その時-250mVを超えた数をカウントしている
イメージ図
Padからの信号-250mVライン

Padからの信号（反転）