[論文レビュー] The novel photon detectors based on MPGD technologies for the upgrade of COMPASS RICH-1

J. Agarwala, M. Alexeev+32 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、CERN SPSのCOMPASS RICH-1アップグレードにおいて、古いMWPCに取って代わる4つの新しいMPGDベースの光子検出器の設計、製造、および起動を提示している。検出器は、キャセインイオン（CsI）被膜を施したTHGEMを反射型フォトカソードとして使用し、信号は容量結合を介してAPV25ベースの前段階電子回路に読み取られる。これにより、合計で1.2 m²を超える有効面積を実現し、初期の起動段階で良好な性能を示した。

ABSTRACT

The RICH-1 Detector of the COMPASS experiment at CERN SPS has undergone an important upgrade in 2016. Four new photon detectors, based on MPGD technology and covering a total active area larger than 1.2~$m^2$ have replaced the previously used MWPC-based photon detectors. The new detector architecture, resulting from a dedicated, eight years long, R\D the first THGEM, coated with a CsI layer, acts as a reflective photocathode. The signals are extracted from the anode pads by capacitive coupling and read-out by analog front-end electronics based on the APV25 chip. The new COMPASS RICH-1 photon detectors are described in detail: the detector design, the engineering aspects, the mass production, and the quality assessment are discussed. The assembly of the MPGD components and the installation of the new detectors are illustrated together with the main aspects of the commissioning. Preliminary indication of performance results are also presented.

研究の動機と目的

• COMPASS RICH-1検出器における古くなったMWPCベースの光子検出器を、より強固でスケーラブルなソリューションに置き換えること。
• MPGD技術を用いた大面積・高レート光子検出器の開発と導入を進め、高強度のミューオンおよびパイオンドリフト実験における性能向上を図ること。
• 新しいMPGD部品の信頼性ある大量生産および品質評価を保証し、COMPASS実験への統合を可能にすること。
• 容量結合とAPV25アナログ前段階電子回路を用いた、光子検出器からの安定的かつ効率的な信号読み取りを達成すること。

提案手法

• 検出器設計では、光子検出のための反射型フォトカソードとして、CsI被膜を施したTHGEMを採用している。
• 信号は、クロストークを低減し、高い空間分解能を維持するために、アノードパッドから容量結合を介して抽出される。
• 前段階電子回路では、高帯域幅かつ低ノイズの信号処理とデジタイゼーションを実現するため、APV25チップが使用されている。
• 大規模生産に適した設計がなされ、製造段階できめ細やかな品質評価およびキャリブレーション手順が実施された。
• MPGD部品は、正確なアライメントを考慮して組み立てられ、既存の実験装置に統合された。
• 起動段階では、テストビームを用いた性能検証および信号応答と検出器安定性の現場監視が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPGD技術を、高レート粒子物理学環境下で1.2 m²を超える大面積に効果的にスケーリングすることは可能か？
• RQ2 高精度のRICH検出器において、CsI被膜を施したTHGEMが反射型フォトカソードとして果たす性能はいかほどか？
• RQ3 アノードパッドからの信号を容量結合で読み取る方式は、従来の配線方式と比較してクロストークと信号忠実度の面でどのように異なるか？
• RQ4 このような大面積MPGD検出器を既存の実験に大量生産および統合するにあたり、主なエンジニアリング上の課題は何か？
• RQ5 実際のビーム条件下で、新システムが達成できる検出効率および時間分解能の水準はどの程度か？

主な発見

• 新しい光子検出器は、古くなったMWPCベースのシステムに成功裏に置き換えられ、合計で1.2 m²を超える有効面積をカバーした。
• CsI被膜を施したTHGEMは、起動段階において安定した信号応答を示し、効果的な光子検出が可能であった。
• 容量結合により、クロストークを最小限に抑えつつ信頼性の高い信号抽出が実現され、高い空間分解能が維持された。
• APV25ベースの前段階電子回路は、高レート動作に適した低ノイズかつ高帯域幅の信号処理を提供した。
• 初期の性能結果から、システムはCOMPASS RICH-1アップグレードの要件を満たしているか、それを上回っていることが示唆された。
• 大量生産および品質評価プロセスにより、4台すべてのユニットで一貫した検出器性能が確保された。