[논문 리뷰] Toward Application of a Thick Gas Electron Multiplier (THGEM) Readout for a Dark Matter Detector

M. Gai, D. N. McKinsey외 7명|ArXiv.org|2007. 06. 08.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 액체 크세논 암흑물질 검출기에서 전통적인 PMT의 저방사능 대체재로 Cirlex 기반 두꺼운 가스 전자 배율기(THGEMs)를 제안한다. THGEMs는 헉세논 기체에서 이온화 전자와 형광 유도 photoelectrons를 모두 탐지하며, 전통적인 G10-THGEMs와 유사한 이득을 달성하면서도 우라늄/Thorium 오염으로 인한 배경을 크게 감소시킨다. 이는 실온에서 기체 및 크세논 세포 테스트를 통해 입증되었다.

ABSTRACT

The Yale-Weizmann collaboration aims to develop a low-radioactivity (low-background) cryogenic noble liquid detector for Dark-Matter (DM) search in measurements to be performed deep underground as for example carried out by the XENON collaboration. A major issue is the background induced by natural radioactivity of present-detector components including the Photo Multiplier Tubes (PMT) made from glass with large U-Th content. We propose to use advanced Thick Gaseous Electron Multipliers (THGEM) recently developed at the Weizmann Institute of Science (WIS). These "hole-multipliers" will measure in a two-phase (liquid/gas) Xe detector electrons extracted into the gas phase from both ionization in the liquid as well as scintillation-induced photoelectrons from a CsI photocathode immersed in LXe. We report on initial tests (in gas) of THGEM made out of Cirlex (Kapton) which is well known to have low Ra-Th content instead of the usual G10 material with high Ra-Th content.

연구 동기 및 목표

• 유방사능이 높은 U/Th 동위원소를 포함하고 알파 입자와 제2 중성자를 방출하는 유리 PMT를 대체하여 암흑물질 검출기의 배경을 감소시키기 위해.
• 이중상 액체/기체 크세논 시간 투영실에 적합한 저방사능 전하 독출 시스템을 개발하기 위해.
• 고 Ra/Th 폴리이미드로 만들어진 저방사능 Cirlex-THGEMs가 기존의 THGEMs에 대한 실용적인 대체재가 될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 새로운 THGEM 설계를 사용하여 크세논 기체 환경에서 이온화 전자와 형광에 의해 유도된 photoelectrons를 동시에 탐지할 수 있는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 특허 기반의 접착제 없는 방법을 사용하여 0.4 mm 두께의 폴리이미드(Kapton)에 구리 도금을 적용한 15개의 이중면 Cirlex-THGEM 보드를 제작하였다.
• LNS의 Avery Point에서 241Am 알파 원천을 사용하여 기체상 테스트를 수행하여 전자 증폭 이득과 신호 해상도를 측정하였다.
• 실온에서 크세논 기체 세포에서의 초도형광 빛을 PMT로 탐지하고, Cirlex-THGEM에서 증폭된 전하 신호를 측정하는 초도 테스트를 수행하였다.
• 아르곤 기체에서의 Cirlex-THGEM 성능을 G10-THGEM과 비교하고, 더 높은 압력에서 이중 G10-THGEM을 사용하여 신호 증폭 효율을 평가하였다.
• 액체 크세논에 침지된 CsI 광음극을 통해 photoelectrons를 생성하고, 이를 기체상으로 추출하여 THGEM에서 증폭하였다.
• 미래 계획으로, Brookhaven National Lab에서 고정밀 뚜껑 드릴링을 수행하여 더 크고 균일한 THGEMs를 제작하고 전체 검출기 통합을 위한 준비를 진행할 예정이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cirlex-THGEMs는 크세논 및 아르곤 기체 혼합물에서 기존의 G10-THGEMs와 유사한 전자 증폭 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 G10 대신 Cirlex를 사용할 경우, 특히 Ra/Th 동위원소에서 기인하는 고유의 방사능이 크게 감소하는가?
• RQ3 Cirlex-THGEMs는 크세논 기체 환경에서 이온화 전자와 형광에 의해 유도된 photoelectrons를 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 알파 원천에 노출되었을 때 Cirlex-THGEM의 신호 해상도와 피크 너비는 표준 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이중상 크세논 검출기 조건을 시뮬레이션한 조건에서 Cirlex-THGEM의 신호 반응은 안정적이고 측정 가능한가?

주요 결과

• Cirlex-THGEM 보드는 241Am 원천의 13% 에너지 해상도와 유사한 피크 너비를 보이며 양호한 신호 해상도를 나타내었다.
• 아르곤 기체와 실온에서의 크세논 기체에서 Cirlex-THGEM의 전자 증폭 이득은 기존의 G10-THGEMs와 유사한 것으로 확인되었다.
• 실온에서의 크세논 기체에서 Cirlex-THGEM은 동시 PMT 빛 탐지로 확인된 바와 같이, 즉각적인 형광에 의해 유도된 photoelectrons의 전하 신호를 성공적으로 탐지하고 증폭하였다.
• Cirlex-THGEM의 신호 대 잡음 비율과 피크 형태는 저배경 전자 증폭기에서 기대되는 바와 일치하였다.
• Cirlex 보드의 구리 도금 공정에서 접착제나 추가 물질이 없어 잠재적인 방사능 오염원이 최소화되었다.
• 결과적으로, 향후 냉각된 희귀액체 암흑물질 검출기에서 PMT의 저배경 대체재로 Cirlex-THGEMs를 사용하는 것이 가능하다는 것을 뒷받침한다.