[论文解读] A spark-resistant bulk-micromegas chamber for high-rate applications

J. Burnens, R. De Oliveira+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种采用印刷电路板上电阻性条带的抗火花体式微孔板室设计，以抑制高计数率环境下的高电压击穿。通过使用通过高阻值电阻接地的电阻层隔离读出条带，该室在气体增益高达30,000时实现稳定运行，并能承受高达1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹的中子通量，即使在极端粒子计数率1 MHz/cm²下也未发生高压击穿。

ABSTRACT

We report on the design and performance of a spark-resistant bulk-micromegas chamber. The principle of this design lends itself to the construction of large-area muon chambers for the upgrade of the detectors at the Large Hadron Collider at CERN for luminosities in excess of 10**34/cm2/s or other high-rate applications.

研究动机与目标

• 为高亮度LHC升级中的高计数率应用开发一种抗火花体式微孔板室。
• 解决中子相互作用和最小电离粒子引起的电离碎片导致的高压击穿风险。
• 在极端粒子通量和高气体增益条件下保持高空间分辨率和探测效率。
• 实现在粒子计数率超过1 MHz/cm²且中子通量高达1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹的环境中的稳定运行。
• 证明火花引起的高压击穿不再限制高计数率场景下的探测器性能。

提出的方法

• 在印刷电路板上的18 µm铜读出条带顶部沉积一层64 µm厚、电阻率1–10 MΩ/cm的电阻保护层。
• 图案化形成150 µm宽、250 µm节距的电阻条带，与读出条带对齐，并通过15–50 MΩ电阻连接至地。
• 通过间距2.5 mm的400 µm直径光可成像覆盖层柱，支撑距离128 µm的不锈钢网（400线/英寸，18 µm线径）。
• 漂移电极为距离5 mm的不锈钢网（350线/英寸，22 µm线径），形成4–5 mm的漂移间隙。
• 通过O形圈和聚酰亚胺薄膜窗口密封，保持气密性。
• 该设计通过将电流限制在单个电阻条带内，防止电荷扩散并限制放电能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高计数率粒子辐照下，读出平面的电阻条带层是否能有效抑制体式微孔板室中的高压击穿？
• RQ2 电阻层设计如何影响该室在维持高气体增益的同时防止火花传播的能力？
• RQ3 该室在不发生高压击穿或性能退化的情况下，可承受的最大粒子计数率和中子通量是多少？
• RQ4 与非电阻性微孔板相比，该电阻保护方案是否保持了空间分辨率和探测效率？
• RQ5 气体混合物的选择（如80:20与93:7的Ar:CO₂）如何影响中子辐照下的火花率？

主要发现

• 在120 GeV/c的π介子束照射下，粒子计数率最高达30 kHz（作用面积2–3 cm²），该电阻室在数日内未观察到任何击穿，成功防止了高压击穿。
• 该室在气体增益高达30,000时运行稳定，在粒子计数率高达1 MHz/cm²时信号完整性保持良好，信号衰减小于30%。
• 在1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹的中子辐照下，93:7 Ar:CO₂气体中的每颗入射中子火花率降低至约10⁻⁸数量级，相比80:20 Ar:CO₂气体降低了五倍。
• 电阻室中的火花产生的电流低于300 nA，且在气体增益超过1.5×10⁴时，网状电极电压仅发生短暂下降，表明能量耗散有效。
• 在测试的三个电阻室中，未观察到空间分辨率、效率或数据质量的显著差异，证实了性能的一致性。
• 在相同束流条件下，非电阻室反复发生高压击穿，证实了电阻保护方案的有效性。