[論文レビュー] A large area 100 channel Picosec Micromegas detector with sub 20 ps time resolution

A. Utrobicic, Y. Angelis+43 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、100 cm²の有効面積を有する100チャンネルのピコセカンド・マイクロメガス検出器を提案する。剛性のあるセラミック/FR4ハイブリッドプリント回路基板を用いてドリフトギャップの均一性を確保することで、17 psの時間分解能を達成した。検出器はセミトランスミッション性のあるCsI光電子源とマイクロメガス増幅構造を組み合わせており、80 GeV/cのミューオンビームテストにより、180 μmの薄いドリフトギャップと独自のRFパルス増幅器を用いて17 psの時間分解能を達成した。これは、高エネルギー物理学における大面積・高精度時間測定ガス検出器分野における重要な前進である。

ABSTRACT

The PICOSEC Micromegas precise timing detector is based on a Cherenkov radiator coupled to a semi-transparent photocathode and a Micromegas amplification structure. The first proof of concept single-channel small area prototype was able to achieve time resolution below 25 ps. One of the crucial aspects in the development of the precise timing gaseous detectors applicable in high-energy physics experiments is a modular design that enables large area coverage. The first 19-channel multi-pad prototype with an active area of approximately 10 cm$^2$ suffered from degraded timing resolution due to the non-uniformity of the preamplification gap. A new 100 cm$^2$ detector module with 100 channels based on a rigid hybrid ceramic/FR4 Micromegas board for improved drift gap uniformity was developed. Initial measurements with 80 GeV/c muons showed improvements in timing response over measured pads and a time resolution below 25 ps. More recent measurements with a new thinner drift gap detector module and newly developed RF pulse amplifiers show that the resolution can be enhanced to a level of 17~ps. This work will present the development of the detector from structural simulations, design, and beam test commissioning with a focus on the timing performance of a thinner drift gap detector module in combination with new electronics using an automated timing scan method.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学の応用を想定し、100 cm²以上の面積を有する100チャンネルのガス時間検出器を実現し、20 ps未満の時間分解能を達成すること。
• 初期の19チャンネルプロトタイプで観察されたドリフトギャップ幾何学的非均一性が時間性能に与える影響を是正すること。
• 剛性のあるセラミック/FR4ハイブリッドプリント回路基板を用いて、機械的安定性と平坦性を確保し、100 cm²の検出器モジュールを実現することでドリフトギャップの均一性を向上させること。
• 最適化された電子回路とビームテストによる検証を用いて、大面積にわたり100チャンネルすべてで高い時間分解能を達成すること。
• 将来の加速器実験における高レート・高精度時間検出器のスケーラブルでモジュラーな設計を可能にすること。

提案手法

• メッシュの応力と機械的結合をシミュレートするために有限要素解析を用い、100 cm²の範囲で10 μm未満の平坦性を達成するため、4 mm厚のセラミックコアに0.3 mmのFR4外層を組み合わせた構造を選定した。
• 180 μmのドリフトギャップを有する100チャンネルの検出器を設計し、Ne:C2H6:CF4ガス混合比（80:10:10）を用いて、マイクロメガス増幅構造にセミトランスミッション性のあるCsI光電子源を結合した。
• 可動式のマイクロチャネルプレート（MCP）ステージを用いた自動タイミングスキャン法を実装し、1000イベントごとに2.5 mm × 2.5 mmのグリッドで移動することで、均一なデータカバレッジと不均一性の平均化のための75%の重複を確保した。
• 基準設計をもとに、10チャンネル、38 dB、650 MHzのRFパルス増幅器を独自に開発し、放電保護機能を内蔵することで、信号の忠実性と時間分解能を向上させた。
• 高帯域幅のオシロスコープを用いて信号をデジタル化し、飽和振幅時間（SAT）解析を適用してパッドごとの時間分解能を抽出した。
• 2022年7月および10月の2回のRD51キャンペーン中にCERNでビームテストを実施し、単一パッド応答と信号共有の特性に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 180 μmのドリフトギャップを有する100 cm²の剛性あるマイクロメガス検出器が、100チャンネルすべてで20 ps未満の時間分解能を維持できるか。
• RQ2 セラミック/FR4ハイブリッドPCBの使用は、以前のフレキシブルPCBと比較して、ドリフトギャップの均一性と時間性能にどのように寄与するか。
• RQ3 新開発のRF増幅器チェーンは、標準的な電子回路と比較して、時間分解能にどの程度向上効果をもたらすか。
• RQ4 100 cm²の有効面積全域でタイミング応答は一様であるか。信号共有は分解能にどのような影響を及ぼすか。
• RQ5 同期されたイベント記録を伴う自動スキャン法は、大面積検出器における信頼性の高い高精度時間特性評価を可能にするか。

主な発見

• 100チャンネルのPICOSECマイクロメガス検出器は、測定されたすべてのパッドで平均17.1 psの時間分解能を達成し、個々のRMS値は16.4 psから17.9 psの範囲に収まった。
• 剛性のあるセラミック/FR4ハイブリッドPCBの使用によりドリフトギャップの非均一性が低減され、単一チャンネルプロトタイプが示した優れた時間性能が大面積にわたり保持された。
• 80 GeV/cのミューオンビームテストにより、180 μmのドリフトギャップ構成が高時間分解能を維持することが確認され、パッド28で最良の結果16.4 psを記録した。
• 自動タイミングスキャン法により、検出器全体にわたる均一なデータ収集が可能になり、スキャンポイント間で75%の重複を確保することで不均一性の平均化が実現した。
• 信号共有と時間分解能はパッド間で一貫しており、100チャンネルアレイ全体で性能の著しい低下は観察されなかった。
• 38 dBの利得と放電保護機能を備えた独自のRF増幅器の統合により、信号の忠実性が向上し、20 ps未満の時間分解能の達成に貢献した。