[論文レビュー] A Novel Manufacturing Process for Glass THGEMs and First Characterisation in an Optical Gaseous Argon TPC

Adam Lowe, K. Majumdar+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 36被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、溶融石英やSchott BoroFlint 33などの非延性基板を用いたガラスTHGEM（G-THGEM）の製造を目的とした、特許出願中の新しい砥粒切削プロセスを提案する。ITO電極を備えたこのプロセスにより、正確で摩耗のない穴パターン（円形または六角形）が実現され、従来のFR4 THGEMと比較して、より高い二次発光（S2）光出力、放電に対する優れた安定性、および低出ガス化を実現するG-THGEMが得られる。

ABSTRACT

This paper details a novel, patent pending, abrasive machining manufacturing process for the formation of sub-millimetre holes in THGEMs, with the intended application in gaseous and dual-phase TPCs. Abrasive machining favours a non-ductile substrate such as glasses or ceramics. This innovative manufacturing process allows for unprecedented versatility in THGEM substrates, electrodes, and hole geometry and pattern. Consequently, THGEMs produced via abrasive machining can be tailored for specific properties, for example: high stiffness, low total thickness variation, radiopurity, moisture absorption/outgassing and/or carbonisation resistance. This paper specifically focuses on three glass substrate THGEMs (G-THGEMs) made from Schott Borofloat 33 and Fused Silica. Circular and hexagonal hole shapes are also investigated. The G-THGEM electrodes are made from Indium Tin Oxide (ITO), with a resistivity of 150 $\Omega$/Sq. All G-THGEMs were characterised in an optical (EMCCD) readout GArTPC, and compared to a traditionally manufactured FR4 THGEM, with their charging and secondary scintillation (S2) light production behaviour analysed.

研究の動機と目的

• 従来のFR4ベースのTHGEMに起因する制限を克服するため、ガラスなどの非延性基板を用いたTHGEMの新しい製造プロセスを開発すること。
• 大規模TPCにおける主な課題、すなわちFR4基板に起因する材料のたわみ、厚さばらつき、多孔質性、放射能純度の問題を解決すること。
• ガス性アルゴンTPCにおいて、異なるガラス基板（溶融石英、BoroFlint 33）、穴の形状（円形、六角形）、ITO電極を用いたG-THGEMの性能を評価すること。
• 同一条件下でのS2光出力および充電挙動について、従来のFR4 THGEMと比較してG-THGEMの性能を評価すること。
• 繰り返し放電にさらされた状態でのG-THGEMの長期的安定性および炭化に対する耐性を評価すること。

提案手法

• 1 mm 厚のガラス基板（溶融石英、BoroFlint 33）に、マスクを用いた砥粒切削プロセスを適用し、0.5 mm未満の通孔を形成した。
• 電極パターンを定義するために物理マスクを用い、真空中蒸着により両面に150 Ω/Sq のITO電極を形成した。
• 2D CAD図面（DXF形式）を用いて、穴の位置および形状を正確に定義し、カスタム穴パターン（円形または六角形）を実現した。
• ドリルビットの摩耗を回避する制御された砥粒プロセスを用い、デバイス全体にわたる一貫した穴径を確保した。
• EMCCDを用いた読み出しシステムを用いた光学的特性評価を、ガス性アルゴンTPCで実施し、S2光出力および充電ダイナミクスを測定した。
• G-THGEMと標準的な500 µmの穴を800 µmピッチで配置したFR4 THGEMとの間で、性能指標（S2光出力、充電挙動、放電耐性）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 砥粒切削プロセスは、ガラス基板に一貫した穴の形状とサイズを持つ高精度で摩耗のない通孔を形成できるか？
• RQ2 同一バイアス条件下で、G-THGEMの二次発光（S2）光出力は、従来のFR4 THGEMと比較してどの程度高いか？
• RQ3 G-THGEMに用いられる抵抗性ITO電極は、FR4 THGEMに用いられる導電性銅と比較して、放電損傷を軽減し、炭化を防ぐことができるか？
• RQ4 異なるガラス基板（溶融石英対BoroFlint 33）および穴の形状（円形対六角形）は、S2光出力および充電ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 G-THGEMは、FR4ベースのTHGEMと比較して、機械的安定性が向上し、出ガスが低減する程度はどの程度か？

主な発見

• 砥粒切削で作製された二重錐形穴を有するG-THGEMは、従来のTHGEMの円筒形穴とは異なり、充電が進行するに従いS2光強度が増加する傾向を示した。
• 同じバイアス条件下で、G-THGEMは従来のFR4 THGEMと比較して顕著に高いS2光強度を発生させ、溶融石英を基板とするG-THGEMが最も高い出力となった。
• 六角形穴パターンを有するBoroFlint 33 G-THGEMは、穴径が大きいため電界強度と利得が低下し、S2光が最も小さくなった。
• G-THGEMは放電に対して優れた耐性を示した。抵抗性ITO被膜が電流を制限し、スパークを抑制し、不可逆的な炭化を防いだ。
• ガラス基板（64–72 GPaの曲げ弾性率）はFR4（23 GPa）の約3倍の剛性を示し、たわみの低減と電界一様性の向上に寄与した。
• G-THGEMの基板厚さばらつきは1.5%未満であり、FR4 THGEMの一般的な5%と比較して顕著に優れており、電界および利得の一様性が向上した。