[논문 리뷰] Multi-layer Thick Gas Electron Multiplier (M-THGEM): a new MPDG structure for high-gain operation at low-pressure

M. Cortesi, Stefan Rost외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 23.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 헬륨 기반 가스 혼합물에서 저압에서 높은 이득을 달성하는 다층 프린트 회로 기판 기반의 전자 증폭기인 다층 두꺼운 가스 전자 다중 증폭기(M-THGEM)를 소개한다. 적용된 전기장이 가로지르는 다단계로 조밀하게 구멍이 뚫린 절연 기판 내에서 전자 번개를 고립시킴으로써, 2차 방출이 억제된 안정적인 고이득 작동이 가능하며, 순수 희귀 기체에서도 가능하여 저압 입자 검출 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

The operating principle and performances of the Multi-layer Thick Gaseous Electron Multiplier (M-THGEM) is presented. The M-THGEM is a novel hole-type gaseous electron multiplier produced by multi-layer printed circuit board technology; it consists of a densely perforated assembly of multiple insulating substrate sheets (e.g., FR-4), sandwiched between thin metallic-electrode layers. The electron avalanche processes occur along the successive multiplication stages within the M-THGEM holes, under the action of strong dipole fields resulting from the application of suitable potential differences between the electrodes. The present work focuses on investigation of two different geometries: a two-layer M-THGEM (either as single or double-cascade detector) and a single three-layer M-THGEM element, tested in various low-pressure He-based gas mixtures. The intrinsically robust confinement of the avalanche volume within the M-THGEM holes provides an efficient suppression of the photon-induced secondary effects, resulting in a high-gain operation over a broad pressure range, even in pure noble gas. The operational principle, main properties (maximum achievable gain, long-term stability, energy resolution, etc.) under different irradiation conditions, as well as capabilities and potential applications are discussed.

연구 동기 및 목표

• 저압 가스 압력에서 작동하는 견고하고 고이득 전자 증폭기를 개발하는 것.
• 구조적 구멍 내에서 전자 번개의 내재적 고립을 통해 광자 유도 2차 방출을 억제하는 것.
• 다양한 저압 헬륨 기반 가스 혼합물에서 다층 M-THGEM 구성의 성능을 탐색하는 것.
• 다양한 조명 조건에서 장기적 안정성, 에너지 해상도 및 도달 가능한 최대 이득을 평가하는 것.
• 기존 MPDG의 대체로 M-THGEM이 저압 응용 분야에서 확장 가능하고 비용 효율적인지의 가능성 확립

제안 방법

• M-THGEM은 교차하는 절연체(예: FR-4) 및 도전성 금속 층을 사용한 다층 프린트 회로 기판 기술로 제작된다.
• 고전압 필드가 작용하는 다단계 구조의 관통 구멍 내에서 전자 번개 형성이 발생함으로써 전자 증폭이 일어난다.
• 이웃한 전극 층 사이에 이중극장이 형성되어 전자 증폭을 축 방향으로 유도하고 강화한다.
• 두 가지 구성이 테스트되었으며, 이는 이중층 M-THGEM(단일 또는 이중 캐스케이드)과 삼중층 단일 요소 설계이다.
• 이득과 안정성 평가를 위해 저압 헬륨 기반 가스 혼합물(순수 헬륨 및 Xe 또는 Ne 혼합물 포함)에서 실험을 수행하였다.
• 성능는 이득 측정, 에너지 해상도 및 연속 조명 조건 하에서의 장기적 안정성 측정을 통해 특성화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 두꺼운 GEM 구조는 저압에서 고이득 전자 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 M-THGEM의 구멍 내에서 전자 번개의 내재적 고립은 어떻게 2차 방출 효과를 억제하는가?
• RQ3 저압 헬륨 기반 가스 혼합물에서 M-THGEM의 최대 이득 및 에너지 해상도는 얼마인가?
• RQ4 이중 캐스케이드 구성의 이중층 M-THGEM은 단일 삼중층 M-THGEM에 비해 성능 및 안정성에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 고이차 방출 위험이 높은 순수 희귀 기체에서 M-THGEM은 저압에서 안정적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• M-THGEM은 저압 헬륨 기반 가스 혼합물, 특히 100 mbar까지 낮은 압력에서 순수 헬륨에서도 10^5를 초과하는 고이득을 달성하였다.
• 삼중층 M-THGEM 구성은 단일 층 GEM에 비해 안정성과 에너지 해상도가 향상되었으며, 5.9 keV X선에 대해 전체 폭의 반폭(FWHM)이 약 15%로 측정되었다.
• 이중 캐스케이드 구성의 이중층 M-THGEM은 단일 캐스케이드 작동 대비 최대 2배의 이득 향상을 보였다.
• 전자의 번개가 구멍 내에서 물리적으로 고립됨으로써 2차 방출이 효과적으로 억제되어 광자 피드백이 감소하고 장기적 안정성이 향상되었다.
• M-THGEM은 연속 조명 조건 하에서도 장기간에 걸쳐 안정된 작동을 유지하였으며, 이득 감소가 최소한이었다.
• 이 구조는 순수 희귀 기체, 예를 들어 Xe에서도 저압에서 고이득 작동이 가능하게 하여 다양한 검출 환경에 대한 유연성을 입증하였다.