[논문 리뷰] The novel photon detectors based on MPGD technologies for the upgrade of COMPASS RICH-1

J. Agarwala, M. Alexeev외 32명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 16.

Particle Detector Development and Performance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CERN SPS의 COMPASS RICH-1 업그레이드를 위해 네 대의 새로운 MPGD 기반 광검출기를 설계, 제작 및 시운전한 결과를 제시한다. 이 검출기는 이전의 MWPC를 대체한다. 검출기들은 반사성 광음극으로서 CsI 코팅된 THGEM을 사용하며, 신호는 APV25 기반의 프론트엔드 전자회로로 커패시티브 커플링 방식으로 읽어내어 총 활성 면적이 1.2 m²를 초과하고, 초기 시운전에서 성공적인 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• COMPASS RICH-1 검출기에서 오래된 MWPC 기반 광검출기를 더 견고하고 확장 가능한 솔루션으로 교체하기 위해.
• 고강도 뮤온 및 파이온 물리 실험에서 향상된 성능을 위해 MPGD 기술을 활용한 대면적, 고속도 광검출기를 개발하고 구현하기 위해.
• 새로운 MPGD 구성 요소의 신뢰성 있는 대량 생산 및 품질 평가를 보장하여 COMPASS 실험에 통합하기 위해.
• 커패시티브 커플링과 APV25 아날로그 프론트엔드 전자회로를 사용하여 광검출기에서 안정적이고 효율적인 신호 읽기 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• 검출기 설계는 광검출을 위한 반사성 광음극으로서 CsI 코팅된 THGEM을 활용한다.
• 교차 캐리지(crosstalk)를 최소화하고 고해상도를 유지하기 위해, 신호는 애노드 패드를 통해 커패시티브 커플링 방식으로 추출된다.
• 고대역폭, 저노이즈 신호 처리 및 디지털화를 위해 프론트엔드 전자회로는 APV25 칩을 사용한다.
• 대량 생산을 고려한 시스템 설계가 이루어졌으며, 제작 과정에서 철저한 품질 평가 및 캘리브레이션 절차가 적용되었다.
• MPGD 구성 요소는 정밀한 정렬과 기존 실험 설정에의 통합을 고려하여 조립 및 RICH-1 검출기에 설치되었다.
• 시운전 과정에서는 테스트 비드와 현장에서의 신호 응답 및 검출기 안정성 모니터링을 통해 성능 검증이 이루어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속도 입자 물리 실험 환경에서 대면적 활성 영역(>1.2 m²)을 효과적으로 확장할 수 있는 MPGD 기술의 적용 방법은 무엇인가?
• RQ2 고정밀 RICH 검출기에서 CsI 코팅된 THGEM이 반사성 광음극으로서의 성능은 어떠한가?
• RQ3 애노드 패드에서의 커패시티브 커플링 방식의 신호 전달 방식은 기존 배선 방식과 비교해 교차 캐리지와 신호 정밀도 측면에서 어떤가?
• RQ4 기존 실험에 대면적 MPGD 검출기를 대량 생산하고 통합하는 데 있어 주요 공학적 과제는 무엇인가?
• RQ5 실제 비드 조건에서 새로운 시스템이 달성할 수 있는 감도 효율성과 타이밍 해상도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 새로운 광검출기는 이전의 MWPC 기반 시스템을 성공적으로 대체하였으며, 총 활성 면적이 1.2 m²를 초과하였다.
• CsI 코팅된 THGEM은 시운전 기간 동안 안정적인 신호 응답을 보이며 효과적인 광검출을 수행하였다.
• 커패시티브 커플링은 낮은 교차 캐리지로 신뢰할 수 있는 신호 추출을 가능하게 하여 고해상도를 유지하였다.
• APV25 기반 프론트엔드 전자회로는 고속도 운영에 적합한 저노이즈, 고대역폭 신호 처리 성능을 제공하였다.
• 초기 성능 결과는 새로운 시스템이 COMPASS RICH-1 업그레이드의 요구사항을 충족하거나 초과함을 시사한다.
• 대량 생산 및 품질 평가 과정을 통해 네 대의 검출기 모두 일관된 성능을 확보하였다.