[论文解读] A large area 100 channel Picosec Micromegas detector with sub 20 ps time resolution

A. Utrobicic, Y. Angelis+43 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用 1

一句话总结

该论文展示了一款100通道的皮秒级微孔板（Picosec Micromegas）探测器，其有效面积为100 cm²，采用刚性陶瓷/FR4混合印刷电路板以确保漂移间隙均匀性，实现了亚20 ps的时间分辨率。探测器结合了CsI半透明光阴极与微孔板放大结构，并通过80 GeV/c μ子束流测试，采用更薄的180 μm漂移间隙和定制射频脉冲放大器，实现了17 ps的时间分辨率，标志着在高能物理领域大面积极高精度时间响应气体探测器方面的重要进展。

ABSTRACT

The PICOSEC Micromegas precise timing detector is based on a Cherenkov radiator coupled to a semi-transparent photocathode and a Micromegas amplification structure. The first proof of concept single-channel small area prototype was able to achieve time resolution below 25 ps. One of the crucial aspects in the development of the precise timing gaseous detectors applicable in high-energy physics experiments is a modular design that enables large area coverage. The first 19-channel multi-pad prototype with an active area of approximately 10 cm$^2$ suffered from degraded timing resolution due to the non-uniformity of the preamplification gap. A new 100 cm$^2$ detector module with 100 channels based on a rigid hybrid ceramic/FR4 Micromegas board for improved drift gap uniformity was developed. Initial measurements with 80 GeV/c muons showed improvements in timing response over measured pads and a time resolution below 25 ps. More recent measurements with a new thinner drift gap detector module and newly developed RF pulse amplifiers show that the resolution can be enhanced to a level of 17~ps. This work will present the development of the detector from structural simulations, design, and beam test commissioning with a focus on the timing performance of a thinner drift gap detector module in combination with new electronics using an automated timing scan method.

研究动机与目标

• 开发一款用于高能物理应用的大面积、多通道气体时间探测器，时间分辨率优于20 ps。
• 解决早期19通道原型机中因漂移间隙几何不均匀导致的时间性能下降问题。
• 设计一种机械稳定、平坦的100 cm²探测器模块，采用刚性陶瓷/FR4混合印刷电路板，以提升漂移间隙均匀性。
• 通过优化电子学与束流测试验证，在大有效面积上实现所有100个通道的高时间分辨率。
• 实现可扩展、模块化的结构设计，为未来对撞机实验中高流强、高精度时间探测器提供支持。

提出的方法

• 采用有限元分析模拟网格张力与机械耦合，选择4 mm厚陶瓷芯材与0.3 mm厚FR4外层，以实现平面度优于10 μm（在100 cm²范围内）。
• 设计了100通道探测器，漂移间隙为180 μm，采用Ne:C2H6:CF4气体混合物（80:10:10）将半透明CsI光阴极与微孔板放大结构耦合。
• 实施一种自动时间扫描方法，通过可移动的微通道板（MCP）平台，以2.5 mm × 2.5 mm网格每1000个事件移动一次，确保数据覆盖均匀，并实现75%的重叠以平均化不完美区域。
• 采用定制的10通道、38 dB、650 MHz射频脉冲放大器，具备内置放电保护功能，基于参考设计，以提升信号保真度与时间分辨率。
• 使用高带宽示波器数字化信号，并应用饱和幅度时间（SAT）分析方法，从各个感应垫中提取时间分辨率。
• 在CERN开展束流测试，使用80 GeV/c μ子束，在2022年7月和10月的两次RD51计划中，重点研究单垫响应与信号共享特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在100 cm²面积上，通过180 μm漂移间隙的刚性微孔板探测器，在全部100个通道上保持亚20 ps的时间分辨率？
• RQ2 与早期柔性PCB相比，采用陶瓷/FR4混合PCB在提升漂移间隙均匀性与时间性能方面有何改进？
• RQ3 新型定制射频放大器链相比标准电子学，在提升时间分辨率方面有多大改善？
• RQ4 时间响应在整个100 cm²有效面积上是否均匀？信号共享对时间分辨率有何影响？
• RQ5 结合同步事件记录的自动扫描方法，是否能为大面积探测器提供可靠、高分辨率的时间特性表征？

主要发现

• 100通道PICOSEC微孔板探测器在所有测量垫上平均时间分辨率达到17.1 ps，单个垫的RMS值在16.4 ps至17.9 ps之间。
• 采用刚性陶瓷/FR4混合PCB显著降低了漂移间隙的不均匀性，使大面积极致保持了单通道原型机的优异时间性能。
• 80 GeV/c μ子束流测试结果表明，180 μm漂移间隙配置维持了高时间分辨率，最佳结果达到16.4 ps（位于垫28）。
• 自动时间扫描方法实现了探测器整个区域的均匀数据采集，扫描点之间75%重叠，有效平均化了不完美区域。
• 信号共享与时间分辨率在各垫之间保持一致，100通道阵列中未观察到性能显著退化。
• 集成具有38 dB增益与放电保护功能的定制射频放大器，提升了信号保真度，并对实现亚20 ps时间分辨率起到了关键作用。