[논문 리뷰] THGEM-based detectors for sampling elements in DHCAL: laboratory and beam evaluation

L. Arazi, A. Breskin외 18명|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2011. 12. 08.

Particle Detector Development and Performance인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 물리학을 위한 디지털 하드론 캘로리미터(DHCAL)에서 두꺼운 가스 전자 배율기(THGEM)를 활성 샘플링 요소로 평가한다. 10×10 cm²의 프로토타입을 사용하여 1 cm² 패드를 적용한 결과, 95% 이상의 탐지 효율, 1회 사건당 1.1–1.2개의 패드 다중성, 그리고 최소 2×10⁻⁶의 방전 확률을 입증하였으며, 저항성 애노드를 사용함으로써 전하 분포를 감소시키고 얇고 견고한 검출기 설계의 성능을 향상시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• DHCAL 샘플링 캘로리미터의 실용적인 활성 요소로 THGEM 기반 검출기를 평가하기 위해.
• 실험실 및 빔 조건에서의 탐지 효율, 패드 다중성, 방전 확률을 평가하기 위해.
• THGEM 구조 내에서 저항성 애노드를 사용하여 전하 유도를 최적화하고 신호 확산을 감소시키기 위해.
• 뮤온 및 파이온 빔에서 표준 전자기기와 KPiX 읽기 시스템을 사용한 성능 테스트를 위해.
• 미래의 DHCAL 구현을 위한 매우 얇은 THGEM 검출기의 가능성 탐색을 위해.

제안 방법

• 10×10 cm²의 THGEM 프로토타입을 단일 또는 이중-THGEM 구조를 사용하여 제작하였다.
• 전하 분포를 제어하기 위해 검출기를 패드 전극에 직접 또는 저항성 애노드를 통해 연결하였다.
• 펄스 신호를 사용하여 실험실 테스트에서 효율, 다중성, 방전 확률을 측정하였다.
• CERN RD51에서 뮤온 및 파이온을 이용한 빔 테스트를 수행하여 실제 입자 상호작용에서의 성능을 검증하였다.
• 표준 이산 전자기기와 고속도 능력이 우수한 KPiX 칩을 사용한 두 가지 읽기 시스템을 도입하였다.
• 신호 균일성을 향상시키기 위해 저항성 애노드를 갖춘 WELL 구조의 THGEM을 제작하고 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THGEM 기반 검출기는 DHCAL 샘플링 요소에서 95% 이상의 탐지 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 저항성 애노드 유무에 따라 THGEM 검출기의 패드 다중성과 전하 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 빔 및 실험실 조건에서 THGEM 검출기의 트리거당 방전 확률은 얼마인가?
• RQ4 저항성 애노드는 THGEM 내에서 신호 유도와 전하 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 매우 얇은 THGEM 기반 검출기는 DHCAL의 성능 및 내구성 요구사항을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 6 mm 두께의 단일-THGEM 검출기가 빔 테스트에서 95%를 초과하는 탐지 효율을 달성하였다.
• 패드 다중성은 1회 사건당 1.1–1.2개로 측정되어 교차 간섭이 낮고 공간 해상도가 우수함을 시사한다.
• 방전 확률은 검출기 구성 및 이득에 따라 1×10⁻⁶에서 1×10⁻⁵까지 낮게 측정되었다.
• WELL 구조의 THGEM에 저항성 애노드를 적용한 경우, 약 95% 효율에서 방전 확률이 <2×10⁻⁶ 이하였다.
• 저항성 애노드의 사용은 전하 분포를 크게 감소시키고 패드 간의 신호 균일성을 향상시켰다.
• 저항성 애노드를 활용한 새로운 방법은 향후 DHCAL용 얇고 견고한 THGEM 기반 검출기 개발에 큰 잠재력을 보여주었다.