[논문 리뷰] Development of Large Area GEM Chambers

J. S. Yu, Edwin Baldelomar외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 19.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기에서 디지털 하드론 캘로리메터에 사용하기 위한 대면적 가스 전자 다중증폭기(GEM) 침전소를 개발하고 특성화한 바 있다. 우주선, 106Ru 및 55Fe 원천을 이용하여, GEM 전극당 395 V의 고전압을 가했을 때 침전소의 증폭율이 6,500을 초과함을 입증하였고, 최소 이온화 입자에 대해 안정적인 랑드 에너지 스펙트럼을 확보하였으며, 방사선 및 압력 영향을 평가하여 100 cm × 100 cm GEM 검출기 구축로 이르는 길을 닦았다.

ABSTRACT

The High Energy Physics group of the University of Texas at Arlington Physics Department has been developing Gas Electron Multiplier (GEM) detectors for use as the sensitive gap detector in digital hadron calorimeters (DHCAL) for the future International Linear Collider. In this study, two kinds of prototype GEM detectors have been tested. One has 30x30 cm2 active area double GEM structure with a 3 mm drift gap, a 1 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. The other one has two 2x2 cm2 GEM foils in the amplifier stage with a 5 mm drift gap, a 2 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. We present characteristics of these detectors obtained using high-energy charged particles, cosmic ray muons and 106Ru and 55Fe radioactive sources. From the 55Fe tests, we observed two well-separated X-ray emission peaks and measured the chamber gain to be over 6500 with a high voltage of 395 V across each GEM electrode. Both the spectra from cosmic rays and the 106Ru fit well to Landau distributions as expected from minimum ionizing particles. We also present the chamber performance after high dosage exposure to radiation as well as the pressure dependence of the gain and correction factors. Finally, we discuss the quality test results of the first set of large scale GEM foils and discuss progress and future plans for constructing large scale (100cmx100cm) GEM detectors.

연구 동기 및 목표

• 국제 선형 충돌기에서 디지털 하드론 캘로리메터에 적용하기 위한 대면적 GEM 검출기를 개발하기 위해.
• 고에너지 양성자 입자, 우주선 뮤온, 방사성 원천을 이용한 프로토타입 GEM 침전소의 성능을 특성화하기 위해.
• 장기적인 운영 안정성을 위해 방사선 손상 영향과 압력 의존성에 따른 증폭율 변화를 평가하기 위해.
• 100 cm × 100 cm 검출기 구축을 위한 기반을 마련하기 위해 첫 번째 대규모 GEM 필름의 품질을 평가하고 성능 특성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 프로토타입 GEM 침전소를 제작하였는데, 하나는 30×30 cm² 활성 면적과 双GEM 구조를 갖추었고, 다른 하나는 증폭 단계에서 2×2 cm² GEM 필름 두 장을 사용하였다.
• 큰 침전소는 3 mm 이격 간격, 1 mm 이동 간격, 1 mm 유도 간격을 사용하였고, 작은 침전소는 5 mm 이격 간격과 2 mm 이동 간격을 사용하였다.
• 침전소 성능은 106Ru 및 55Fe 방사성 원천을 이용해 X선 에너지 해상도와 증폭율을 측정함으로써 시험하였다.
• 우주선 뮤온을 이용해 최소 이온화 입자에 대한 랑드 분포 피팅의 타당성을 검증하였다.
• 고용량 조건에서 장기적인 증폭율 안정성을 평가하기 위해 방사선 노출 시험을 실시하였다.
• 압력에 따른 증폭율 의존성을 측정하고 환경 안정성을 확보하기 위한 보정 계수를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 55Fe X선 원천을 이용한 대면적 GEM 침전소에서 도달 가능한 증폭율과 에너지 해상도는 무엇인가?
• RQ2 우주선 뮤온에서 유도된 에너지 스펙트럼이 기대되는 랑드 분포와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 고용량 방사선 노출이 GEM 침전소의 증폭율과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 환경 압력이 GEM 검출기의 증폭율에 어떤 영향을 미치며, 보정이 필요한가?
• RQ5 100×100 cm² 검출기를 위한 첫 번째 대규모 GEM 필름의 품질과 성능 특성은 어떠한가?

주요 결과

• 55Fe 원천을 이용해 측정한 결과, GEM 전극당 395 V의 고전압을 가했을 때 침전소의 증폭율이 6,500을 초과하였다.
• 55Fe 스펙트럼에서 두 개의 명확하게 분리된 X선 방출 피크가 관측되어 양호한 에너지 해상도를 확인하였다.
• 우주선 뮤온에서 유도된 에너지 스펙트럼이 랑드 분포와 잘 맞아떨어져 최소 이온화 입자에 대한 적절한 반응을 보였다.
• 고용량 방사선 노출 후에도 침전소가 안정된 성능을 유지하여 방사선 내성을 입증하였다.
• 증폭율이 압력에 따라 명백히 영향을 받았고, 다양한 조건에서 일관된 성능을 유지하기 위한 보정 계수를 도출하였다.
• 첫 번째 대규모 GEM 필름 세트는 품질 테스트를 통과하여 향후 100 cm × 100 cm GEM 검출기 구축을 뒷받침하였다.