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Fortschritte auf dem Gebiet der großräumigen GEMs 12. Wiener Fachkonferenz zur Instrumentierung VCI 2010 15 20. Februar 2010, Wien Marco Villa, Matteo Alfonsi, Ian Brock, Vortrag zum Thema: Wien Marco Villa, Matteo Alfonsi, Ian Brock, Präsentationstranskript: 1 Fortschritt auf großflächigen GEMs 12. Wiener Fachkonferenz zur Instrumentierung VCI 20. Februar 2010, Wien Marco Villa, Matteo Alfonsi, Ian Brock, Gabriele Croci, Eric David, Rui de Oliveira, Serge Duarte Pinto, Elena Rocco, Leszek Ropelewski, Hans Taureg, Miranda van Stenis 2 Gliederung GEM-Elektronenvervielfacher GEM-Anwendungen Motivation für großflächige GEMs Einzelmasken-Photolithographie Verbesserung der Polyimid-Ätzung Verbesserung der unteren Kupferätzung Spleißung von GEMs Großflächige GEMs Umgang mit großflächigen GEMs Simulation von GEMs Optimierung der Lochgeometrie Verständnis der Aufladung Schlussfolgerungen Ausblick 3 Gaselektronenmultiplikatoren GEM-Eigenschaften: Schnelles Elektronensignal, keine Ionenschwanz Verstärkungsstruktur unabhängig von der Auslesung Flexibles Material erlaubt nicht planare Geometrien Kaskadierbar Kaskadierung GEMs reduzieren die Entladungswahrscheinlichkeit 4 GEM-Anwendungen (1 (NIM A 577 (2007) 455) Tracking für festes Zielversuch: 31 x 31 cm 2 aktiver Bereich XY-Streifenauslesung Ortsauflösung 46 m Erforderliche Ratenkapazität 150 kHzcm 2 LHCb (2008 JINST 3 S08005) Vorwärtsmuonentriggerung: 24 x 20 cm 2 Flächenbelastung Erforderliche Leistungsfähigkeit 500 kHzcm 2 TOTEM (JINST 3 S08007, 2008) Vorwärtsverfolgung und Auslösung: 30 cm Durchmesser Kombiniertes Streifen - und Pad-Auslesen Erforderliche Geschwindigkeit 5 GEM Anwendungen (2) Zylindrisches GEM für NA49: Zylindrisches dreifaches GEM Detektorabdeckung Basierend auf 31 x 31 cm 2 COMPASS GEM Folien 2D kartesische Auslesung mit 400 m Streifenabstand APV25 Ausleseelektronik Wirklich sphärische GEM für Röntgendiffraktometrie: Kugelförmiger Konversionsspalt gibt Nullparallaxefehler GEM ausgehend von einer ebenen Folie Formung auf kugelförmiger Form mit 20 Kg Gewicht Anwendung Temperatur 350 C für ca. 24 Stunden Konischer Feldkäfig im Umwandlungsspalt Gekrümmte Abstandshalter für genaue Abstände Planare oder sphärische Auslesung 6 Motivation für großflächige GEMs (1) Upgrade von TOTEM T1: 2 Teleskopen bilden Rücken an Rücken Scheiben Jede Scheibe Enthält 5 Kammern Kammer-Überlappung ermöglicht einstellbaren Scheibenradius Dreifache GEM-Kammern mit 2000 cm 2 aktiver Fläche Kammern auf Basis von GEM-Folien 66 x 66 cm 2 Großflächiges Splicing 2 GEMs zusammen KLOE2 innerer Tracker (siehe E. De Lucia Vortrag): Zylindrisches dreifaches GEM Detektor GEMs 96 x 35,2 cm 2 aktiver Bereich Großer Bereich erreicht Spleißen 3 GEMs zusammen Keine Spacer zwischen GEM-Folien Zylindrische Kathode mit ringförmigen Glasfaser-Stützflanschen 8 Technologische Innovationen 1. Doppelmasken-Photolithographie führt zu Ausrichtungsfehlern ein Einzelmaske 2. Rohmaterial ist nur 457 mm Breit Spleiß GEM-Folien zusammen 3. GEM-Stretching wird lästig Lösungen 4. GEM-Handling wird schwierig Neue Werkzeuge und Maschinen 9 Doppelte Maske vs. Einzelmaske Doppelmaske Photolithographie Einzelmaske Photolithographie 50 m Kaptonfolie 5 m Kupfer beidseitig beschichtet Fotolackbeschichtung, Maskierung , Belichtung Photoresistentwicklung, Kupferätzung Kaptonätzung Metallätzung Zweite Maskierung, Belichtung Entwicklung, Ätzen, Endreinigung 10 Erstellung des GEM-Musters 1 Photoresist-Laminierung: Basismaterial wird in Rollen von 457 mm x 100 m geliefert. Das Basismaterial wird mit Photoresist laminiert Unter Druck bei 100 110 C Wichtig zur Verhinderung der Bildung von Luftblasen 2 Exposition: Maske wird durch Vakuumsystem gehalten UV-Licht polymerisiert unmaskierten Photoresist Wichtig für die Lichteinstrahlung 3 Photoresistentwicklung: GEM wird in einen Ofen bei 100 ° C gebracht Wenige Minuten Natriumcarbonat-Spülung entfernt nicht polymerisierten Photoresist 1 2 3 11 Ätzen der Löcher im GEM Ätzung der Kupfer-Spitzenelektrode: Eisenchlorid - und Salzsäure-Spülung erzeugen das Lochbild auf der Kupferelektrode Basisbad entfernt die Chromschicht in den Löchern Neutralisation Erforderlich Photolackentfernung: Ethanol zur Entfernung des Photoresists Polyimid-Ätzen: Kombinieren isotroper und anisotroper Ätzchemien man kann steile Löcher bekommen Kapton-Löcher bilden die Maske für das untere Kupferätzen Kapton-Profil wird in einem späteren Stadium fein abgestimmt Kaliumhydroxid (KOH) isotropes Ethylen Diamin anisotrop 12 Ätzen der unteren Kupferschicht Ätzen von unten Ätzung von oben, unter Verwendung der Löcher im Polyimid als Maske Ammoniumpersulfat erzeugt Kupferdickenschwankungen über große Flächen Inhomogenität gewinnen Chromsäure erzeugt damit einen homogeneren Ätz-GEM-Prototyp für TOTEM T1 Technik Kupfer-Ätzung isotropen Rand erscheint um die Löcher gewinnen Stabilität Verschlechterung möglich, die Felge durch Abnehmen der Kupfer-Dicke vor dem Ätzen der Löcher 13 Spleißen GEMs Das Basismaterial ist nur 457 mm breit Mögliche, um größere Breite durch Spleißen GEMs 2 mm Breite zu erhalten Kapton Deckschicht auf GEMs Kanten gepresst und erwärmt bis 240 C Naht ist flach, regelmässig, mechanisch und dielektrisch stark Ratenabtastung mit 0,5 mm kollimierten Röntgenstrahl Behaves normal bis zur Naht Leistung des Restes der GEM ist unempfindlich 14 Stretching und Handling GEMs Stretching : Thermische Ausdehnung eines Plexiglasrahmens für Folienverstreckung ausbaubar Dehnbank mit Wägezellen, die mit Metern verbunden sind Handhabung: Einige Herstellungsschritte finden in chemischen Bädern endlicher Dimensionen statt. Ein zusammenlegbares Edelstahl-Portfolio ermöglicht die Handhabung von GEM-Folien bis zu 200 x 50 cm 2 Einzelmaskentechnologie eignet sich für die Massenproduktion mit Rollwalzenausrüstung CERN INFN LNF 15 Herstellung des TOTEM T1 Prototyps Rahmung der geschnittenen Folien 2 Herstellung der Wabengrundplatte und Deckel 3 Kleben der Kathode auf den Wabenrahmen 4 Endmontage aller Frames 5 Zusammengebauter Prototyp 16 TOTEM T1 Prototyp Leistung Gute Gasdichtigkeit und hohe Spannungsstabilität Gain niedriger als Standard (Doppelmaske) GEM, wie erwartet aus breiterem Lochdurchmesser Lochgestalt kann durch Änderung der Zusammensetzung der Ätzchemie abgestimmt werden Energieauflösung 22,4 FWHpeak für Cu Röntgenstrahlung in Ar: CO 2 70:30 17 Verbesserung der Kupferätzung Um die Felge überhaupt nicht zu erzeugen: Laminieren Sie eine Photoresistschicht auf die untere Elektrode Übernehmen Sie 3 V DC auf die obere Elektrode Kupfer wird inert auf die Ätzlösung Ätzen Unterseite Kupfer mit Chromsäure unter Verwendung der Polyimid-Löcher als Maske Gehen Sie zurück zu Polyimid-Ätzen für 30 s, um fast zylindrische Löcher zu erhalten Fast zylindrische Loch-Profil in der Polyimid Perfekt definierte Löcher auf beiden oberen und unteren Elektroden Funkenspannung in Luft (650 40) V GEM Reinigung sorgt für gute Widerstandsfähigkeit gegen Funken 81 m 69 m 18 Einzelmaske GEM Leistung Doppel GEM 10 x 10 cm 2 aktiver Bereich Gap D 4,2 mm, Abstand T Spalt I 2,2 mm EDET 2 kVcm, EI 3 kVcm Messungen durchgeführt in Ar: CO 2 70 : 30 Cu-Röntgenröhrchen (K 8,04 keV, K 8,9 keV) max. Verstärkung V GEM 435 V wenige 10 4 std GEM Energie res FWHMpeak 20 std GEM Schnelles Aufladen (14 4) s 30 min std GEM Sehr kleines Aufladen 4 19 Simulieren von Lochformeffekten 95 55 m 55 55 m 55 95 m 955585557555655555555565557555855595 Lochform Kann durch Veränderung der Zusammensetzung der Ätzchemie abgestimmt werden Möglichkeit der Auswahl der optimalen Form nach Anwendung Simulation elektrischer Feldlinien für unterschiedliche Geometrien Simulation des Elektronenendpunktes als Funktion der Geometrie 20 Simulation des Aufladezeitpunktes Zeit 0 s Zeit 4 s Abscheidung Der elektrischen Ladungen auf dem Polyimid spielt eine wichtige Rolle im GEM-Verhalten Erfolgreiche Simulation der Elektronenaufladung in einem Standard-GEM ohne Verstärkung Elektronen, die zufällig über dem GEM erzeugt werden Elektronen getrieben und Endpunkt aufgenommen Erzeugung neuer Feldkarte mit hinterlegten Ladungen 21 Schlussfolgerungen Ausblick Einzelmaskentechnik hat sich als eine gültige Fertigungstechnologie für GEMs erwiesen. Es war möglich, eine groß dimensionierte dreifache GEM von 2000 cm 2 aktiver Fläche zu bauen, die erfolgreich getestet wurde. Neue Verfeinerungen der Herstellungsmethode geben bessere Kontrolle über die Lochform Attraktive Vorteile für großflächige und großtechnische Produktion Lochparameter werden untersucht und der Optimierungsprozess läuft weiter 23 Verbesserung der Kupferätzung Um überhaupt keine Felge zu schaffen: Laminat einer Photoresistschicht auf die untere Elektrode Bedecken Sie die obere Elektrode mit Gold oder Zinn durch galvanische Abscheidung Ätzen Sie das untere Kupfer mit Chromsäure unter Verwendung der Polyimid-Löcher als Maske Streifen Sie die Photoresistschicht, verlassen Sie die obere Schutzschicht Die Löcher auf dem Boden scheinen sehr gut definiert Schwierig, eine gute Hermetik der oberen Schutzschicht zu erhalten Die geringste Delamination zwischen Kupfer und Kapton führt zu Kupferunterätzung Gold bleibt oberhalb des unterätzten Kupfers Erhöhung der Funkenwahrscheinlichkeit Benötigen Sie einen effizienteren Weg zum Schutz der oberen Elektrode 91 m 64 mA Vereinfachte Vorgehensweise zur Berechnung der Volatilität Füllen Sie unser Rückrufformular aus oder rechnen Sie mit uns auf 01293 550 400. 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