[논문 리뷰] A Novel Manufacturing Process for Glass THGEMs and First Characterisation in an Optical Gaseous Argon TPC

Adam Lowe, K. Majumdar외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 07.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 36인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 유리 THGEMs(G-THGEMs)를 제조하기 위한 혁신적이고 특허 출원 중인 연마 가공 공정을 제시한다. 이 공정은 연성 없는 기초재료인 퓌즈 실리카 및 숄트 보로플린트 33을 사용하며, ITO 전극을 포함한다. 이 방법은 정밀하고 마모 없는 구멍 패턴(원형 또는 육각형) 제작을 가능하게 하며, 기존의 FR4 THGEMs에 비해 더 높은 2차 형광(secondary scintillation, S2) 빛 생산, 방전에 대한 향상된 안정성, 그리고 낮은 가스 방출 특성을 갖춘 G-THGEMs를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 FR4 기반 THGEMs의 한계를 극복하기 위해 연성 없는 기초재료인 유리와 같은 재료를 사용하여 새로운 THGEM 제조 공정을 개발하기 위해.
• 대규모 TPC에서의 주요 과제인 FR4 기초재료의 물리적 굽힘, 두께 변동, 다공성 및 방사능 순도 문제를 해결하기 위해.
• 기체 아르곤 TPC에서 유리 기초재료(퓨즈 실리카, 보로플린트 33), 구멍 형상(원형, 육각형), ITO 전극을 갖춘 G-THGEM의 성능을 특성화하기 위해.
• 동일한 조건에서 G-THGEM의 S2 빛 생산 및 충전 거동을 기존의 FR4 THGEM과 비교 평가하기 위해.
• 반복적인 방전 조건에서 G-THGEM의 장기적 안정성과 탄소화에 대한 저항성 평가하기 위해.

제안 방법

• 1 mm 두께의 유리 기초재료(퓨즈 실리카, 보로플린트 33)에 하위 밀리미터 크기의 관통구멍을 형성하기 위해 마스크를 사용한 연마 가공 공정을 적용하였다.
• 전극 패턴을 정의하기 위해 물리적 마스크를 사용하여 진공 증착 방식으로 양면에 150 Ω/Sq의 ITO 전극을 도포하였다.
• 정확한 구멍 위치 및 형상을 정의하기 위해 2D CAD 도면(DXF 형식)을 사용하여 커스터마이징된 구멍 패턴(원형 또는 육각형)을 구현하였다.
• 드릴 비트 마모를 방지하는 제어된 연마 공정을 통해 기기 전체에 걸쳐 일관된 구멍 직경을 확보하였다.
• S2 빛 생산 및 충전 역학을 측정하기 위해 기체 아르곤 TPC에서 EMCCD 기반 읽기 시스템을 사용한 광학적 특성 분석을 수행하였다.
• G-THGEM과 500 µm 구멍을 800 µm 피치로 가진 표준 FR4 THGEM 간 성능 지표(S2 빛 수율, 충전 거동, 방전 내성)를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연마 가공 공정이 유리 기초재료에 대해 일관된 구멍 형상과 크기를 갖는 고정밀, 마모 없는 관통구멍을 제작할 수 있는가?
• RQ2 동일한 전압 조건에서 G-THGEM의 2차 형광(S2) 빛 생산은 기존의 FR4 THGEM에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 G-THGEM에 사용된 저항성 ITO 전극은 기존의 구리 전극을 사용한 FR4 THGEM에 비해 방전 손상과 탄소화를 억제하는가?
• RQ4 다른 유리 기초재료(퓨즈 실리카 대비 보로플린트 33)와 구멍 형상(원형 대비 육각형)이 S2 빛 수율과 충전 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 G-THGEM은 FR4 기반 THGEM에 비해 기계적 안정성이 향상되고 가스 방출이 감소하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 연마 가공으로 제작된 이중뿔형 구멍을 가진 G-THGEM은 충전 과정에서 시간이 지남에 따라 S2 빛 강도가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 기존의 원통형 구멍을 가진 THGEM과는 다름.
• 동일한 전압 조건에서 G-THGEM은 기존의 FR4 THGEM보다 유의미하게 높은 S2 빛 강도를 나타내었으며, 특히 퓌즈 실리카 G-THGEM에서 가장 높은 수율 기록.
• 보로플린트 33 G-THGEM 중 육각형 구멍 패턴을 가진 경우, 더 큰 구멍 크기로 인해 전기장 강도와 이득이 감소하여 S2 빛이 가장 적게 생성됨.
• G-THGEM은 방전에 대한 뛰어난 내성을 보였으며, 저항성 ITO 코팅이 전류 흐름을 제한하고 스파크를 진화시키며 영구적인 탄소화를 방지함.
• 유리 기초재료(64–72 GPa 굴곡 모odulus)는 FR4(23 GPa)보다 약 3배 더 높은 강성으로 굽힘을 줄이고 전기장 균일성을 향상시킴.
• G-THGEM의 기초재 두께 변동은 1.5% 미만이었으며, 이는 FR4 THGEM의 일반적인 5%보다 훨씬 우수하여 전기장 및 이득 균일성 향상에 기여함.