ガス電子増倍管

ガス電子増倍管(GEM) は、核物理学、粒子物理学、放射線検出に使用される 気体イオン化検出器の一種です。

すべてのガスイオン化検出器は、電離放射線によって放出された電子を収集し、それらを大きな電界のある領域に導き、それによって電子なだれを開始することができます。電子なだれは、電子機器で検出できるほど大きな電流または電荷を生成するのに十分な電子を生成します。ほとんどのイオン化検出器では、大きな電界は正の高電圧電位を持つ細いワイヤから生じます。この同じ細いワイヤが電子なだれから電子を収集し、それらを読み出し電子機器に導きます。GEM は、薄いポリマーシートの小さな穴に大きな電界を生成します。これらの穴の中で電子なだれが発生します。結果として生じる電子はシートから放出されるため、別のシステムを使用して電子を収集し、読み出しに導く必要があります。

GEM はマイクロパターンガス検出器のクラスの 1 つであり、このクラスにはマイクロメガやその他のテクノロジーが含まれます。

GEMは1997年にCERNのガス検出器開発グループ^{[1]で物理学者ファビオ・サウリ[2]}によって発明されました。

一般的な GEM は、両面を銅で覆った厚さ 50～70 マイクロメートルのカプトン箔でできています。フォトリソグラフィーと酸エッチング プロセスにより、両方の銅層に直径 30～50 マイクロメートルの穴が開けられ、2 回目のエッチング プロセスでこれらの穴がカプトン全体に広がります。小さな穴は非常に規則的で寸法的に安定しています。動作時には、2 つの銅層に 150～400 V の電圧がかけられ、穴に大きな電界が作られます。これらの条件で、適切なガスが存在する場合、1 つの電子がどの穴に入っても 100～1000 個の電子を含む雪崩が発生します。これが GEM の「ゲイン」です。電子は GEM の背面から出るため、最初の GEM の後に 2 番目の GEM を配置すると、増幅の段階がさらに増えます。多くの実験では、100 万以上のゲインを達成するために、2 重または 3 重の GEM スタックが使用されています。

ワイヤ チャンバーの動作には、通常、1 つの電圧設定のみが必要でした。ワイヤの電圧によってドリフト フィールドと増幅フィールドの両方が提供されました。GEM ベースの検出器には、イオン化ポイントから GEM に電子を誘導するドリフト電圧、増幅電圧、および GEM 出口から読み出し面に電子を誘導する抽出/転送電圧という、いくつかの独立した電圧設定が必要です。ドリフト領域が大きい検出器は、時間投影チャンバーとして動作できます。ドリフト領域が小さい検出器は、単純な比例カウンタとして動作します。

GEM チャンバーは、平面上に敷かれた単純な導電性ストリップによって読み出すことができます。読み取り面は、GEM 自体と同様に、通常の回路基板材料上に通常のリソグラフィー技術を使用して製造できます。読み取りストリップは増幅プロセスに関係しないため、任意の形状にすることができます。2Dストリップとグリッド、六角形パッド、放射状/方位角セグメント、およびその他の読み取りジオメトリが可能です。

GEM は多くの種類の素粒子物理学実験で使用されてきた。初期の注目すべき使用者の 1 つは、 CERN のCOMPASS 実験である。GEM ベースのガス検出器は、国際リニアコライダー、相対論的重イオン衝突型加速器の STAR 実験および PHENIX 実験などのコンポーネント用に提案されてきた。マルチワイヤ比例箱と比較した GEM の利点には、製造の容易さ (大面積 GEM は原理的に大量生産できるのに対し、ワイヤ箱は労働集約的でエラーが発生しやすい組み立てが必要である)、GEM と読み出しパッドの両方の形状に柔軟性があること、および高速で動作する時間投影箱で磁場の歪みの原因となる正イオンを抑制できることなどがある。初期の GEM では、不均一性や短絡など、製造上の多くの困難さが問題となったが、これらはかなりの部分解決されている。