[논문 리뷰] Construction and operation of a Double Phase LAr Large Electron Multiplier Time Projection Chamber

A. Badertscher, L. Knecht외 6명|ArXiv.org|2008. 11. 20.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 8인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 대규모 전자 다중화기(Large Electron Multiplier, LEM)를 이용한 전하 증폭을 통해 이중상 액체 헬륨 타임프로젝션 카트리지(LAr TPC)의 첫 성공적 운영을 보고한다. 활성 부피가 3리터인 프로토타입은 순수한 아르곤 기체 상태와 이중상 LAr 조건에서 이중독독(LEM 및 애노드 스트립)을 통해 천체선 입자 궤적 복원을 성공적으로 수행하였으며, 뉴트리노 및 암흑물질 실험을 위한 확장 가능하고 비용 효율적이며 고해상도 검출기의 실현 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

We successfully operated a novel kind of LAr Time Projection Chamber based on a Large Electron Multiplier (LEM) readout system. The prototype, of about 3 liters active volume, is operated in liquid-vapour (double) phase pure Ar. The ionization electrons, after drifting in the LAr volume, are extracted by a set of grids into the gas phase and driven into the holes of a double stage LEM, where charge amplification occurs. Each LEM is a thick macroscopic hole multiplier of 10x10 cm$^2$ manufactured with standard PCB techniques. The electrons signal is readout via two orthogonal coordinates, one using the induced signal on the segmented upper electrode of the LEM itself and the other by collecting the electrons on a segmented anode. Custom-made preamplifiers have been especially developed for this purpose. Cosmic ray tracks have been successfully observed in pure gas at room temperature and in double phase Ar operation. We believe that this proof of principle represents an important milestone in the realization of very large, long drift (cost-effective) LAr detectors for next generation neutrino physics and proton decay experiments, as well as for direct search of Dark Matter with imaging devices.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 뉴트리노 및 암흑물질 실험을 위한 확장 가능하고 비용 효율적인 대용적 액체 헬륨 TPC 개발
• 액체 헬륨 위의 기체 상에서 대규모 전자 다중화기(LEMs)를 통한 전하 증폭을 통해 신호 독독 향상
• 세밀하게 분할된 LEM과 맞춤형 초저온 프리앰프를 사용한 이중상 LAr TPC에서 고공간 및 고에너지 해상도 달성
• 순수한 아르곤에서 장거리 드프트 및 저임계 탐지에 적합한 LEM 기반 TPC의 실현 가능성 검증
• 이중상 작동 조건에서 LEM-TPC를 이용한 이온화 궤적 영상화의 원리적 실현 증명

제안 방법

• 검출기는 이중상(액체-기화) 구조에서 순수한 액체 헬륨 3리터의 활성 부피를 사용한다.
• 이온화 전자는 액체 헬륨를 통과하여 그물망 시스템을 통해 기체 상으로 추출된다.
• 전자들은 이중단계 LEM을 통해 증폭되며, mm 규모의 구멍을 가진 두꺼운 강성 PCB 제작 방식의 구멍 다중화기이다.
• 신호는 두 개의 수직 좌표계를 통해 독독된다: 분할된 LEM 스트립에 유도된 신호와 분할된 애노드에 수집된 전하.
• 액체 헬륨에서 저노이즈, 고대역폭 신호를 처리하기 위해 맞춤형 초저온 프리앰프를 개발하였다.
• 성능 평가에는 실온에서 109Cd 방사성 원소를 사용하고, 기체 상태와 이중상 작동 조건에서 천체선을 이용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 아르곤 기체에서 초저온 온도에서 LEM 기반 독독 시스템이 안정적이고 고이득 전자 다중화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 액체 헬륨에서 이온화 전자가 기체 상으로 효율적으로 추출되고 이중단계 LEM에서 증폭될 수 있는가?
• RQ3 이중상 LAr LEM-TPC가 천체선 뮤온 궤적 추적에 대해 고공간 및 고에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 LEM는 순수한 아르곤에서 장기간 초저온 작동에 견딜 수 있고 호환성이 있는가?
• RQ5 암흑물질 및 뉴트리노 실험의 저임계 탐지에 충분한 신호 대 잡음비를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• LEM-TPC는 실온에서 순수한 아르곤 기체 상태에서 천체선 궤적을 성공적으로 감지하여 전체 신호 체인의 功能을 입증하였다.
• 87 K 및 1 bar 압력 조건에서 이중상 작동 시 약 10^3의 측정 가능한 이득을 확보하여 효과적인 전자 다중화를 확인하였다.
• 109Cd 원소 캘리브레이션을 통한 확인으로, LEM의 구멍 내 전기장 강도 14 ± 0.3 kV/cm 범위에서 이득 조절이 가능함을 입증하였다.
• 천체선 뮤온 궤적이 이중상 작동 조건에서 명확하게 복원되었으며, LEM과 애노드 스트립에 대한 수직 좌표 독독에서 뛰어난 신호 대 잡음비를 보였다.
• PMT 신호는 직접 형광, 기체 상에서 비례 형광, 아수발 전류 과정에서 발생한 빛의 세 가지 명확한 피크를 나타내어 LEM 작동의 확인을 하였다.
• 초기 LEM의 액체 헬륨 침투 현상이 관측되었으나 몇 시간 내에 복귀하여 영구적 열화 없이 액체 헬륨와 양호한 호환성을 보였음