[論文レビュー] THGEM-based detectors for sampling elements in DHCAL: laboratory and beam evaluation

L. Arazi, A. Breskin+18 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Dec 8, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー物理学におけるデジタルハドロンカルトニメータ（DHCAL）のアクティブ・サンプリング素子としての厚膜ガス電子倍増器（THGEM）の評価を行う。10×10 cm²のプロトタイプ（1 cm²のパッド）を用いて、95%を超える検出効率、1イベントあたり1.1～1.2の低パッド多重度、最大で2×10⁻⁶の放電確率を実証した。抵抗性アノードを用いることで電荷の拡散が低減され、薄く頑丈な検出器設計の性能向上が達成された。

ABSTRACT

We report on the results of an extensive R&D program aimed at the evaluation of Thick-Gas Electron Multipliers (THGEM) as potential active elements for Digital Hadron Calorimetry (DHCAL). Results are presented on efficiency, pad multiplicity and discharge probability of a 10x10 cm2 prototype detector with 1 cm2 readout pads. The detector is comprised of single- or double-THGEM multipliers coupled to the pad electrode either directly or via a resistive anode. Investigations employing standard discrete electronics and the KPiX readout system have been carried out both under laboratory conditions and with muons and pions at the CERN RD51 test beam. For detectors having a charge-induction gap, it has been shown that even a ~6 mm thick single-THGEM detector reached detection efficiencies above 95%, with pad-hit multiplicity of 1.1-1.2 per event; discharge probabilities were of the order of 1e-6 - 1e-5 sparks/trigger, depending on the detector structure and gain. Preliminary beam tests with a WELL hole-structure, closed by a resistive anode, yielded discharge probabilities of <2e-6 for an efficiency of ~95%. Methods are presented to reduce charge-spread and pad multiplicity with resistive anodes. The new method showed good prospects for further evaluation of very thin THGEM-based detectors as potential active elements for DHCAL, with competitive performances, simplicity and robustness. Further developments are in course.

研究の動機と目的

• DHCALのサンプリング・カルトニメータ用の有効なアクティブ素子としてTHGEMベースの検出器を評価すること。
• ラボおよびビーム条件下での検出効率、パッド多重度、放電確率を評価すること。
• THGEM構造における抵抗性アノードを用いて、電荷誘導を最適化し、信号の広がりを低減すること。
• ミューオンおよびパイオンビームを用いた、標準電子回路およびKPiX読み出しシステムでの性能テスト。
• 今後のDHCAL実装に向けた非常に薄いTHGEM検出器の実現可能性を検討すること。

提案手法

• 10×10 cm²のTHGEMプロトタイプ（1 cm²の読み出しパッド）を、単層または二重層THGEM構造で製作した。
• 検出器をパッド電極に直接接続するか、電荷の広がりを制御するための抵抗性アノードを介して接続した。
• パulsed信号を用いたラボテストで、効率、多重度、放電確率を測定した。
• CERN RD51で実施されたビームテストにより、実際の粒子相互作用における性能を検証した。
• 2種類の読み出しシステムを用いた：標準的な離散電子回路と、高レート対応を目的としたKPiXチップ。
• 信号均一性を向上させる目的で、抵抗性アノードを備えたWELLホール構造THGEMを製作・テストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THGEMベースの検出器は、DHCALのサンプリング素子として95%を超える検出効率を達成できるか？
• RQ2 抵抗性アノードを有する・ないTHGEM検出器におけるパッド多重度および電荷広がりはいかほどか？
• RQ3 ビームおよびラボ条件下でのトリガあたりの放電確率はどの程度か？
• RQ4 抵抗性アノードはTHGEMにおける信号誘導および電荷分布にどのように影響するか？
• RQ5 非常に薄いTHGEMベースの検出器は、DHCALの性能要件および耐久性要件を満たすことができるか？

主な発見

• 6 mm 厚のシングル-THGEM検出器は、ビームテストで95%を超える検出効率を達成した。
• パッド多重度は1.1～1.2ヒット/イベントと測定され、クロストークが低く、良好な空間分解能を示した。
• 放電確率は、検出器構成およびゲインに応じて1×10⁻⁶～1×10⁻⁵/トリガの範囲で、最大で2×10⁻⁶まで低下した。
• WELL構造THGEMに抵抗性アノードを組み込んだ場合、約95%の効率で放電確率は<2×10⁻⁶であった。
• 抵抗性アノードの使用により、電荷の広がりが顕著に低減され、パッド間での信号均一性が向上した。
• 抵抗性アノードを用いた新規手法は、今後のDHCAL用に薄く頑丈なTHGEMベース検出器の開発において強く有望な道筋を示している。