½ ¨ 7 Hë H Sae Mulli (The Korean Physical Society), Volume 58, Number 4, 2009¸ 4 Z 4, pp. 435∼438
M
= k ¹ Å Ö « ×M õ u § T Ó Þ X ¢ ß e È û s ÚM 8 ý ì Ø Ëû s ÞM = kÑ ÷ + s Ƕ ¥ × ¹ ÅM 8 ý ì Å× D; c  \ ¥ ¤V R Ë
* å · ¼ ÿ õ i u< · ) ç ? · Â 6 Ò ç ¡r ) ∗
½ Ó" é ¶ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , ½ Ó" é ¶ 641-773 (2009¸ 2 Z 4 16{ 9 ~ Ã Î6 £ §)
28 £ x ~ Ã Ì} ½ ¨ ¸_ l ^ 7 £ x; ¤ l (Gas Electron Multiplier, GEM)\ ¦ s 6 x K é ß { 9 G V , ~ ½ Ó Ø ¦ l
\ ¦ ] j ¦, Õ ª $ í 0 p x \ ¦ 0 AK Ar : CO
2= 80 : 20, Ar : CO
2: CF
4= 60 : 20 : 20 _ ¿ º t
7 á x À Ó_ D ¥ ½ + ËÛ ¼\ ¦ ¢ - aØ æ l ^ Ð 6 x % i .
55Fe (5.9 keV) ³ ðï r èÛ ¼\ ¦ s 6 x # · ú ` ¦
or v " f ¦ì r í(pulse height distribution)` ¦ 8 £ ¤& ñ # Ar/CO
2 D ¥ ½ + Ël ^ _ â Ä º 18 %_ ì r K
0 p x` ¦ % 3 % 3 Ü ¼ 9, ½ + Ë» ¡ ¤ l 6 x | ¾ Ós 7 £ x < Ê\ " f ñs 1 p q s q + þ A& h Ü ¼ Ð 7 £ x < Ê` ¦ S X % i
. ¢ ¸ô Ç Ø ¦ l \ ¦ q 5 p w ô Ç ¸| \ ª $ í c (120 GeV; FermiLab, Chicago)\ ¸Ø ¦ r & ¦ì r í\ ¦ 8
£ ¤& ñ # , z ´+ « >\ 6 x ) a Ø ¦ l \ " f ª $ í _ \ -t < Hz ´s 2.8 keV H d` ¦ > í ß % i .
PACS numbers: 29.40.Cs, 29.30.Kv
Keywords: ¢ - aØ æ l ^ , l ^ 7 £ x; ¤ l , ~ ½ Ó Ø ¦ l , ½ + Ë» ¡ ¤ l
I. " e  ] Ø
8 £ x _ ~ Ã Ì} (foil) ½ ¨ ¸ Ð s , X l ^ 7 £ x; ¤ l (GEM: Gas Electron Multiplier) [1, 2] H Ä »X O / B N1 l x 5 Å q l
½ ¨ è(CERN)_ l ^ Ø ¦ l > hµ 1 ÏÕ ªÒ ¨(Gas Detector Development) è5 Å q _ F. Sauliü < R. D. Oliveira 1 p x s ¦
\
-t { 9 \ ¦ Ø ¦ ½ + É 3 l q& h Ü ¼ Ð 1997¸ \ > hµ 1 Ïô Ç
l Õ ü t s .
GEM` ¦ s 6 x ô Ç ~ ½ Ó % ò © © u \ ¦ > hµ 1 Ï 9 H ½ ¨ õ
& ñ × æ ô Ç é ß > Ð" f, : r z ´+ « >\ " f H chamber ü @+ þ A d ¦` ¦ s
\ ] j ô Ç " é ¶: x+ þ A ¸+ þ A [3] Ð l ^ _ " é ¶ Ö ¸ ô Ç â ì2 £ § õ
¾ ºØ ¦` ¦ Ð ¢ - a l 0 A # , y + þ A ¸ ª Ü ¼ Ð ] j % i Ü
¼ 9 ¸ ú 6 £ § ~ ½ Ót \ ¦ 0 AK F K5 Å q` ¦ chamber F « Ñ Ð 6 x
%
i [Fig. 1 Ã Ð ¸]. Ø ¦ l ? /Â Ò H Fig. 2 \ " fü < ° ú s 2 © _
GEM foil` ¦ C u # 2× æ ½ ¨ ¸_ GEM chamber\ ¦ ] j
% i . Ø ¦ l 1 l x \ 9 כ ¹ô Ç ¦ · ú É r Fig. 2 \
· p כ õ ° ú É r $ ½ Ó } © ` ¦ s 6 x K é ß { 9 " é ¶ Ü ¼ ÐÂ Ò' y
F G \ ì r C % i .
{ 9 x- , y 1 p x _ ¦\ -t ~ ½ Ó s Ø
¦ l \ { 9 ÷ & Ø ¦ l ? /_ l ^ ü < © ñ 6 x # l ^
\
¦ s : r o r . s : r o õ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q tô Ç ü < ª s
: r É r Ø ¦ l ? /_ y © ô Ç l © \ _ K y y ì ø Í@ / ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼
Ð 5 Å q ÷ & 9 8¹ ¡ ¤ 8 î r1 l x \ -t \ ¦ % 3 > ) a . s õ & ñ \
"
f > Ã ºl ^ Ð 6 x ÷ & H Ar õ ° ú É r é ß " é ¶ l ^ _ ª s
∗
E-mail: [email protected]
Fig. 1. Photo view of the GEM chamber.
: r É r 6 £ §F G \ " f \ ¦ ã ¼| 9 # Q ? /" f ½ + Ë 9 × æ$ í _ " é ¶
Ð [ t H X < s õ & ñ \ " f 11.6 eV_ F g \ ¦ ~ ½ ÓØ ¦ ô
Ç . s F g H F 6 £ §F G \ " f F g ´ òõ \ ¦ { 9 Ü ¼&
I \ ¦ Ä » ¸ > ÷ &# Q " é ¶ t · ú § H Ê ê5 Å q ` O Û ¼\ ¦ µ 1 ÏÒ q t
>
) a . s \ ¦ ~ ½ Ót l 0 AK " é ¶ ì r \ ¦ ¢ - aØ æ l ^ Ð
< Êa D ¥ ½ + Ë H X < : r z ´+ « >\ " f H CO
2ü < CF
4\ ¦ ¢ - aØ æ l ^
Ð 6 x % i Ü ¼ 9 D ¥ ½ + Ëq H y y Ar : CO
2= 80 : 20, Ar : CO
2: CF
4= 60 : 20 : 20% i [4,5].
: r z ´+ « > É r ' Í P :, chamber ? /Â Ò\ D ¥ ½ + Ël ^ \ ¦ ° ú G
Ä º ¦, { 9 ½ Ó\
55Fe (5.9 keV) ~ ½ Ó ` ¦ ¸Ø ¦ r &
É
r ¿ º t 7 á x À Ó_ ? /Â Ò l ^ \ " f_ ¦ì r í : £ ¤$ í ` ¦ ¸
% i . Ñ ü t P :, Ar : CO
2= 80 : 20 _ l ^ ¸| \ " f
-435-
-436- ô Dz D GÓ ü t o < Æ rt “D hÓ ü t o ”, Volume 58, Number 4, 2009¸ 4 Z 4
Fig. 2. Internal structure of the GEM chamber and high voltage distribution.
½ + Ë» ¡ ¤ l 6 x | ¾ Ó` ¦ or v " f ñs 1 p q _ % ò ¾ Ó` ¦ ¸
% i . Õ ªo ¦, q 5 p w ô Ç ¸| \ ª $ í c (120 GeV, FermiLab, Chicago) Ü ¼ Ð Ø ¦ l \ ¦ ¸ # ¦ ì r í
\
¦ % 3 % 3 Ü ¼ 9, Õ ª ÐÂ Ò' Ø ¦ l ? /\ " f ª $ í { 9 > ÷ &
H \ -t < Hz ´ ° ú כ` ¦ > í ß % i .
II. ì Å U ê s0 n É õ m Í + s ÇÊ Ý
1. ì Ø Ëû s ÞM = k
: r ½ ¨\ " f H GEM chamber _ © l ç ß 6 x \ _ ô Ç
>
à ºl ^ _ \ P o\ ¦ x l 0 AK " f > h~ ½ Ó+ þ A l ^ r Û ¼% 7 ~ ½ Ó d
` ¦ | Ã Û ¦, ì r { © l ^ _ â ì2 £ § Ö ¦ É r 20 ml/min Ü ¼ Ð { 9
&
ñ > Ä »t % i . s © I \ " f l ^ _ · ú § 4 É r _ @ / l
· ú õ ° ú É r © I s . · ú É r ñs 1 p q \ f ] X & h
% ò
¾ Ó` ¦ p u H X <, ¿ º t D ¥ ½ + Ël ^ _ â Ä º, ° ú É r
· ú \ " f 8 £ ¤& ñ s Ô ¦ 0 p x % i . 20% CF
4' D ¥ ½ + Ël
^
\ " f H −1900 V s © \ " fë ß ñ\ ¦ % 3 ` ¦ Ã º e % 3 ¦, 20% CF
4\ ¦ ' t · ú § É r Ar : CO
2= 80 : 20 _ â Ä º\
H −1620 V \ " f Ò' ñ\ ¦ % 3 ` ¦ à º e % 3 . Õ ªA " f
· ú ` ¦ −1900 ∼ −1980 V ü < −1620 ∼ −1800 V_
É
r · ú # 3 0 A\ " f ñ\ ¦ { 9 # Q ë ß % i . 20% CF
4\ ¦ '
< Ê\ è F g ´ òõ _ 7 £ x Ð Ø ¦§ 4 s y è # î ß
&
ñ & h 1 l x É r ? /t ë ß [6], ñ # CF
4\ ¦ '
t · ú § É r Ar : CO
2= 80 : 20 _ â Ä º Ð Z } É r
· ú \ " f ñ8 £ ¤& ñ s 0 p x % i .
Figure 3 õ Fig. 4 H y y Ar/CO
2/CF
4, Ar/CO
2 D ¥
½
+ Ë l ^ \ @ /ô Ç
55Fe \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ · p כ s .
Õ
ªa Ë >\ " f y y _ Õ ªA á Ô H É r · ú ` ¦ · p .
Fig. 3 \ " f, · ú −1980 V_ Õ ªA á Ô\ ¦ Ä ºÛ ¼ / B G
´ ú » ¡ § # % 3 É r ì r K 0 p x É r 29% Ð" f Fig. 4\ · p Ar : CO
2= 80 : 20 _ 18%ü < q § # a % ~ t 3 l w ô Ç õ
Fig. 3. Pulse height spectrum of
55Fe with Ar : CO
2: CF
4= 60 : 20 : 20.
Fig. 4. Pulse height spectrum of
55Fe with Ar : CO
2= 80 : 20.
\
¦ Ð# Å Ò% 3 . Õ ªA á Ô_ л ¡ ¤ É r ñ_ [ jl \ ¦
?
/ H X <, Fig. 5\ · p כ õ ° ú s Ar/CO
2/CF
4_ â Ä º
H Z } É r · ú ` ¦ Ù þ ¡6 £ § \ ¸ Ô ¦ ½ ¨ ¦ Ar/CO
2\ q K ± ú
É r ñs 1 p q` ¦ Ð% i . CF
4l ^ \ ¦ 6 x ô Ç z ´+ « >\ " f, Z }
É r ñs 1 p q` ¦ % 3 l 0 AK " f H · ú ` ¦ −2000 V s ©
K H X <, Z } É r · ú É r ~ ½ Ó ` ¦ Ä » ¸ # GEM foil _ % ò ½ ¨& h < H © Ü ¼ Ð s # Q| 9 Ã º e .
z
´+ « >\ 6 x ô Ç GEM foil É r 50 µm ¿ ºa _ polyimide film _ ª \ 5 µm ¿ ºa _ ½ ¨o \ ¦ ïh Aô Ç 6 £ § f â 55 µm _ ½ ¨" í ` ¦ 140 µm ç ß Ü ¼ Ð Ý ü É r כ Ü ¼ Ð 3M _ ]
j¾ ¡ §` ¦ 6 x % i [7]. © r ç ß ì ø Í4 ¤z ´+ « >Ü ¼ Ð ô Ç GEM foil _ ¸ oü < ¸% i É r Ø ¦ l $ í 0 p x` ¦ b # Qä ¼o H כ ¹ s
)
a [6]. 9 כ ¹½ + É â Ä º s Ó ü t| 9 ` ¦ ] j l 0 AK " f GEM foil` ¦ [ j' K H X < [ j' \ H s : r s ] j ) a Ó ü t s
· ú
ï` ¦` ¦ s 6 x 9 í6 £ § [ j' l Ð 10 ∼ 20 í & ñ ¸ [ j '
% i .
½ ¨ 7 Hë H l ^ 7 £ x; ¤ l \ ¦ s 6 x ô Ç Ø ¦ l _ ¢ - aØ æ l ^ ü < ½ + Ë» ¡ ¤ l _ o\ É r : £ ¤$ í – % ò 1 p x -437-
Fig. 5. Pulse height spectrum of
55Fe with different gas mixture.
2. + s Ƕ ¥ × ¹ ÅM
Ø ¦ l \ " f µ 1 ÏÒ q tô Ç ñ þ j7 á xØ ¦§ 4 ñ Ð ¨ 8
÷
& H ´ òÖ ¦ É r u 7 £ x; ¤ l _ Ä »´ ò { 9 § 4 l 6 x | ¾ Óõ Ø ¦ l
_ l 6 x | ¾ Ó_ ' a > \ " f s À Ò# Qt H X < [8], Ø ¦ l ü <
readout r Ð s \ 6 x ô Ç ½ + Ë » ¡ ¤ l ñs 1 p q \ p
u H % ò ¾ Ó` ¦ ¸ % i [Fig. 6]. 8 £ ¤& ñ \ H Ar : CO
2= 80 : 20 l ^ \ ¦ 6 x % i ¦, l ^ H 20 ml/min _ 5 Å q ¸
Ð f ˧ 4 . q §\ ¦ 0 AK Ø ¦ l · ú É r −1850 V Ð
¦& ñ % i . 10 ∼ 133 pF s _ » ¡ ¤ l \ ¦ 6 x ô Ç 8 £ ¤& ñ
\
" f, ñs 1 p q É r » ¡ ¤ l 6 x | ¾ Ó_ 7 £ x ü < < Êa q + þ A& h Ü
¼ Ð 7 £ x % i Ü ¼ 9 \ -t ì r K 0 p x É r 40 ∼ 100 pF s
\
" f 18%_ õ \ ¦ Ð% i t ë ß 8 ± ú É r l 6 x | ¾ Ó_ » ¡ ¤
l \ ¦ 6 x % i ` ¦ M : H \ -t ì r K 0 p x s f ` ¦ S X
% i . \ V\ ¦ [ þ t # Q, 10 pF_ » ¡ ¤ l _ â Ä º ì r K 0 p x É r
21% & ñ ¸ Ð z ¤ . s õ Ð & h ] X ô Ç ñs 1 p q` ¦
%
3 l 0 AK " f H » ¡ ¤ l × þ _ × æ כ ¹$ í ¸ S X % i .
3. w ; c .U W ë sV R Ë 8 ý ; c .U Å X Ø÷ m Ç
Ø ¦ l \ ¦\ -t ª $ í c (120 GeV; FermiLab, Chicago)` ¦ ¸ # q @ /g A_ ¦ì r í\ ¦ % 3 % 3 ¦, l
> r \ · ú 9
55Fe _ ¿ º x ß ¼_ \ -t \ ¦ s 6 x # , ª $ í
_ \ -t < Hz ´` ¦ > í ß K " f % 3 É r ° ú כ É r 2.8 keV ÷ &
%
3 . s H ¦\ -t _ ª $ í z ´+ « >\ 6 x ô Ç Ø ¦ l
\
" f { 9 > ÷ & H \ -t F G y & h Ü ¼ 9, ª $ í \
-t _ @ /Â Òì r É r GEM Ø ¦ l \ \ -t \ ¦ ² ú t · ú §
¦ : x õ K ! Q 2 ; H z ´` ¦ ´ ú ô Ç [Fig. 7].
Fig. 6. Coupling capacitor dependence of
55Fe spectrum.
Fig. 7. Pulse height distribution of
55Fe source and pro- ton.
III. + s Ç Â ] Ø
Ø ¦ l \ 6 x ) a l ^ H Ar : CO
2= 80 : 20 õ Ar : CO
2: CF
4= 60 : 20 : 20 _ ¿ º 7 á x À Ó% i Ü ¼ 9 y y \ @ / K
¦ì r í\ ¦ 8 £ ¤& ñ # Õ ª õ РÒ' \ -t ì r K 0 p x
`
¦ ¸ % i .
Ar : CO
2= 80 : 20 D ¥ ½ + Ël ^ \ ¦ G î r Ø ¦ l Ð ñ s
1 p q _ ½ + Ë» ¡ ¤ l 6 x | ¾ Ó _ > r$ í ` ¦ ¸ % i Ü ¼ 9 » ¡ ¤ l 6
x | ¾ Ó 10 ∼ 133 pF s _ 8 £ ¤& ñ \ " f H ñs 1 p q É r ½ + Ë
»
¡ ¤ l 6 x | ¾ Ós 7 £ x < Ê\ < Êa 7 £ x H â ¾ Ó` ¦ Ð
%
i . 20% CF
4' D ¥ ½ + Ël ^ 6 x \ " f H ñ Ø ¦§ 4 s
± ú
¦, ì r K 0 p x( 29%) ¸ ± ú ¤ . CF
4l ^ _ D ¥ ½ + Ëq Ö ¦
`
¦ 20% Ð î ß & ñ $ í É r e t ë ß , D ¥ ½ + Ëq Ö ¦` ¦ 8 ± ú Æ Ò# Q
"
f 5% & ñ ¸\ " f z ´+ « >` ¦ ô Ç , 8 Z } É r ì r K 0 p x` ¦ % 3 ` ¦ Ã
º e ` ¦ כ s ¦ l @ / 9 · ú ¡Ü ¼ Ð CF
4l ^ _ D ¥ ½ + Ëq Ö
¦` ¦ or ~ ´ Ã º e H z ´+ « > ¸| ` ¦ ° ú Æ Ò# Q, & h ] X ô Ç D ¥ ½ + Ë
-438- ô Dz D GÓ ü t o < Æ rt “D hÓ ü t o ”, Volume 58, Number 4, 2009¸ 4 Z 4
q
Ö ¦` ¦ ¹ 1 Ô H Ê ê5 Å q ½ ¨\ ¦ t 5 Å q ½ + É \ V& ñ s . ¢ ¸,
55Fe _ ¿ º x
ß ¼_ 0 Au \ ¦ + þ AÜ ¼ Ð ü @¶ ú # ½ ¨ô Ç ª $ í _ \ - t
< Hz ´ > í ß Z O ` ¦ & ñ l 0 Aô Ç D h Ðî r > í ß Z O ` ¦ ¹ 1 Ô` ¦
9
כ ¹ e .
P
c p 8 ý ò k >
s
7 Hë H É r ô Dz D G õ < ÆF é ß : £ ¤& ñ l í ½ ¨(R01-2006-000- 10061-0) _ t " é ¶ Ü ¼ Ð ½ ¨_ { 9 Â Ò Ã º' ÷ &% 3 .
Y
c p w à U Ø ô
[1] F. Sauli, Nucl. Instr. and Meth. A 386, 531 (1997).
[2] S. Bachmann, A. Bressan, L. Ropelewski, F. Sauli, A. Sharma and D. M¨ ormann, Nucl. Inst. Meth. 438, 376 (1999).
[3] Youngja Ha, Bongjae Ahn, Seongtae Park and Chang Hie Hahn, SAEMULLI (New Phys.) 56, 188 (2008).
[4] M. Alfonsi, G. Bencivenni, P. de Simone, F. Murtas, M. Poli Lener, W. Bonivento, A. Cardini, C. Deplano, D. Pinci, D. Raspino and B. Saitta, Nucl. Instr. and Meth. A 525, 18 (2004).
[5] G. Bencivenni, P. de Simone, F. Murtas, M. Poli Lener, W. Bonivento, A. Cardini, C. Deplano, D.
Pinci and D. Raspino, Nucl. Instr. and Meth. A 513, 265 (2003).
[6] Sang Hyo Han, Fabrication of GEM Detector and Its Operating Characteristics, Kyungpook National University (2002).
[7] P. S. Barbeau, J. Collar, J. Miyamoto and I. Shipsey, Nucl. Inst. and Meth. A 525, 33 (2004).
[8] Seongtae Park, Changhie Hahn, Ilgon Kim, Dong- sun Yoo, Byungsoo Moon, Kiwan Jang and Chongeun Chung, J. Korean Phys. Soc. 51, 1651 (2007).
Dependence of the Characteristics of a Gas Electron Multiplier Detector on the Quenching Gas and the Coupling Capacitor
Youngja Ha, Bongjae Ahn, Seongtae Park and Chang Hie Hahn
∗Department of Physics, Changwon National University, Changwon 641-773
(Received 16 February 2009)
We fabricated a double-layer gas electron multiplier detector (GEM) and carried out performance tests with two different mixed gases, Ar : CO
2= 80 : 20 and Ar : CO
2: CF
4= 60 : 20 : 20. A
55
Fe isotope was used as the test source, and the energy spectrum was measured at various values of the high voltage. The energy resolution calculated from the data measured with the Ar/CO
2mixed gas was 18%. In order to find an optimum coupling capacitor between the detector and the charge-sensitive pre-amplifier, we studied the dependence of the signal gain and the energy resolution on the coupling capacitance. We also tested the detector under 120-GeV proton beam irradiation (FermiLab, Chicago) and measured pulse height distribution. By extrapolating the two
55
Fe characteristic peaks, the proton energy loss for a 5-mm layer in an Ar : CO
2= 80 : 20 mixed gas was calculated to be 2.8 keV.
PACS numbers: 29.40.Cs, 29.30.Kv
Keywords: Quenching gas, Gas electron multiplier (GEM), Radiation detector, Coupling capacitor
∗
