[論文レビュー] Development of MicroMegas for a Digital Hadronic Calorimeter

Catherine Adloff, J. Blaha+2 more|ArXiv.org|Jan 30, 2009

Particle Detector Development and Performance参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、将来の素粒子物理学実験におけるデジタルハドロンカルオリメータ（DHCAL）用に、アナログおよびデジタル読み出しを備えたMicroMegas検出器の開発とビームテストによる検証を報告する。ボトムアップPCB技術と埋め込みASIC（HARDROCおよびDIRAC）を用いることで、プロトタイプは高いMIP効率（最大97.05%）、低多重度（<1.1）および優れたエネルギー分解能（FWHM 19.6%）を達成し、国際線形加速器（ILC）の文脈において高グレインネスで放射線耐性を持つカルオリメトリの強力な適合性を示した。

ABSTRACT

Recent developments on the MicroMegas prototypes built by use of the bulk technology with analog and digital readout electronics are presented. The main test beam results of a stack of several MicroMegas prototypes fully comply with the needs of a hadronic calorimeter for future particle physics experiments. A technical solution for a large scale prototype is also introduced.

研究の動機と目的

• 将来の素粒子物理学実験におけるデジタルハドロンカルオリメータ（DHCAL）用に、高グレインネスで放射線耐性があり、コスト効率の良いアクティブ検出器を開発すること。
• 特に粒子フローアルゴリズム（PFA）用途を想定し、高エネルギー粒子ビーム下でのアナログおよびデジタル読み出しを備えたMicroMegasプロトタイプの性能を評価すること。
• DHCAL用途に適した大規模なMicroMegasの生産可能性を、ボトムアップPCB技術と埋め込みデジタル電子回路を用いて実証すること。
• 将来的なDHCALプロトタイプ用に、実ビーム条件下でのデジタル読み出しASIC（HARDROCおよびDIRAC）の性能を検証すること。

提案手法

• 20 µmの織り目マッシュ、3 mmのドリフトギャップ、128 µmの増幅ギャップを備えたボトムアップPCB技術を用いたMicroMegas検出器の製造。
• 16チャンネルのGASSIPLEXチップと12ビットのVME ADCを用いたアナログ読み出しにより、高分解能電荷測定（0.4 fC/ADC刻み）を実現。
• 1ビットまたは2ビット分解能を有する混合信号ASIC（HARDROC（基準）およびDIRAC（研究開発段階））を統合し、埋め込み型デジタル読み出しを実装。
• 55Fe X線源を用いてゲインおよびエネルギー分解能をキャリブレーションし、FWHMおよび圧力依存性を測定。
• CERNのH2 SPSライン（200 GeVのミューオンおよびパイオニオン）およびT9 PSライン（7 GeVのパイオニオン）を用いたビームテストにより、効率、多重度、エネルギー損失の均一性を評価。
• 6つのアクティブセンサユニット（ASU）を用いた1 m²のプロトタイプを構築。各ASUには24個のASICが搭載され、機械的安定性および放射線耐性を確保するため2 mmのステンレス鋼プレートを採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込み型デジタル読み出しを備えたMicroMegas検出器は、高レート・高放射線環境下におけるDHCAL用途に必要なMIP効率と低多重度を達成できるか？
• RQ2 エネルギー分解能、ノイズ、パッド間均一性の観点から、アナログ読み出しとデジタル読み出しの性能をどのように比較できるか？
• RQ3 特にマルチチェンバー積層構造下で、デジタルASIC（HARDROCおよびDIRAC）の機能がビーム露出条件下でどの程度耐久性を示すか？
• RQ4 55Fe X線および高エネルギーパイオニオンにさらされたMicroMegasプロトタイプのエネルギー分解能とゲイン均一性は、どの程度達成可能か？
• RQ5 CALICEデータ取得システムと完全に互換性を持つ1 m²の大規模なMicroMegasプロトタイプを信頼性高く製造・試験できるか？

主な発見

• アナログ読み出しを備えたMicroMegasプロトタイプは、測定されたエネルギー分解能が8.5%（FWHM 19.6%）に達し、ゲイン最大10,000を達成した。これは高分解能電荷測定能力を裏付ける。
• 全チャンバでパッドあたりのエネルギー損失の最も確実な値（MPV）は一貫して約45 fCであり、相対的分散が11% RMSであった。これは優れた均一性を示している。
• 平均的な電子ノイズはわずか0.6 fCであり、低ピエダルノイズおよび優れた信号対ノイズ比を示している。
• MIP検出効率は、最も古いプロトタイプで92.99% ± 0.10%、最新のもので97.05% ± 0.07%であった。製造プロセスの洗練に伴い著しく向上した。
• 全4つのアナログ読み出しプロトタイプで、ヒット多重度は常に1.1未満であった。これは高速な信号収集と最小限のクロストークによる低多重度を示している。
• DIRAC ASICを搭載した最初のプロトタイプは、ビームスキャンで正常に動作したが、しきい値依存性および効率の完全評価には、マルチチェンバー積層でのテストが必要である。