[論文レビュー] Beam studies of novel THGEM-based potential sampling elements for Digital Hadron Calorimetry

S. Bressler, L. Arazi+9 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、デジタルハドロンカルリメトリー用に新規に開発された抵抗性アノードを備えたTHGEMベースの検出器のビームテスト結果を提示しており、5–6 mmの厚さを持つ構成で98%の検出効率と平均パッド多重度1.2未満を達成した。この設計により、高レート環境下でも安定した動作が可能となり、放電確率は非常に低く（π粒子で約10⁻⁶）、抵抗性層による放電の抑制効果も顕著である。

ABSTRACT

Beam studies of thin single- and double-stage THGEM-based detectors are presented. Several 10 x 10 cm^2 configurations with a total thickness of 5-6 mm (excluding readout electronics), with 1 x 1 cm^2 pads inductively coupled through a resistive layer to APV-SRS readout electronics, were investigated with muons and pions. Detection efficiencies in the 98% range were recorded with an average pad-multiplicity of ~1.1. The resistive anode resulted in efficient discharge damping, with few-volt potential drops; discharge probabilities were ~10^{-7} for muons and 10^{-6} for pions in the double-stage configuration, at rates of a few kHz/cm^2. These results, together with the robustness of THGEM electrodes against spark damage and their suitability for economic production over large areas make THGEM-based detectors highly competitive compared to the other technologies considered for the SiD-DHCAL.

研究の動機と目的

• 将来の線形衝突型加速器実験におけるデジタルハドロンカルリメーター（DHCAL）のサンプリング素子としての薄型THGEMベース検出器の性能を評価すること。
• 高レート環境下で、コンactで耐久性があり、コスト効率の良い検出器において、高い検出効率と低いパッド多重度を両立することの課題を解決すること。
• 特に二段階構成の抵抗性アノードを備えたTHGEMベース検出器が、高粒子線量下でも安定性と放電耐性を示すかを調査すること。
• SiD-DHCALのような大規模DHCALシステムへの統合を想定し、検出器の厚さと利得安定性を最適化すること。
• 比例応答と二段階閾値読み出しを用いて、THGEMベース検出器がフルDHCALおよびセミDHCALの両概念に応用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 10×10 cm²の単一および二段階構成THGEM/SRWELL検出器を製作し、1×1 cm²のパッドを有し、抵抗性アノード層と100 µmの絶縁ギャップを介して誘導結合によりAPV-SRS読み出し電子回路に接続した。
• Ne/5%CH₄ガス混合ガス中でTHGEMおよびSRWELL電極に550 Vを印加し、有効利得が約2500に達した。
• CERN-SPSで実施したビームテストにおいて、最大3 kHz/cm²のレートでミューオンおよびパイオンドを用い、検出効率、パッド多重度、および放電挙動を評価した。
• APV25フロントエンド電子回路とSRS読み出しシステムを用い、クラスタ電荷分布を記録し、放電時の電圧低下をモニタリングした。
• 電荷拡散を抑制し、多重度の上昇を防ぐために、セグメント化された抵抗性層とその下部に銅グリッドを配置した。
• 二段階構成のTHGEM+SRWELLを含む5つの構成（単一段階SRWELLを2つ、二段階構成を3つ）を比較し、合計厚さは5.8–6.3 mmであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DHCALに適した6 mm未満の厚さのTHGEMベース検出器は、95%以上の検出効率と1.2未満の低パッド多重度を達成できるか？
• RQ2 二段階構成THGEM+SRWELLは、単一段階設計と比較して、高レートパイオンドビーム下での利得安定性および放電耐性において優れた性能を示すか？
• RQ3 微小放電（電圧低下<10 V）および大規模放電（50–150 V）が、THGEMベース検出器の信号クラスタ分布および検出効率に与える影響は何か？
• RQ4 抵抗性アノード層は、高レートのハドロン環境下で放電を効果的に抑制し、信号劣化を防ぐのにどの程度有効か？
• RQ5 高レートパイオンドビーム下で単一段階構成で観測された利得低下は、設計や運用の最適化によって緩和可能か？

主な発見

• Double1構成では、5.8 mmの厚さで98%の検出効率と平均パッド多重度1.1を達成し、コンactな幾何形状でも優れた性能を示した。
• Single2単一段階構成では、5.8 mmの厚さで98%の効率とパッド多重度1.15を達成し、高レートパイオンドビーム下での利得低下にもかかわらず、優れた性能を示した。
• 二段階構成（例：Double1, Double3）では、高レートパイオンドビーム下でも顕著な利得低下が観測されず、単一段階設計に比べてより優れた安定性を示した。
• 二段階構成では、ミューオンで約10⁻⁷、パイオンドで約10⁻⁶の放電確率が測定され、上部THGEM電極での大規模放電はまれにしか観測されなかった。
• 微小放電（電圧低下<10 V）はすべての構成で観測されたが、二段階構成ではクラスタ電荷分布や検出効率に影響を及ぼさなかった。
• 抵抗性アノード層は放電を効果的に抑制し、数ボルトの電圧低下で放電を抑制し、信号劣化を防ぎ、高レート環境下での耐久性を裏付けた。