[论文解读] Beam studies of novel THGEM-based potential sampling elements for Digital Hadron Calorimetry

S. Bressler, L. Arazi+9 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 15被引用 4

一句话总结

本论文展示了基于新型THGEM的探测器在束流测试中的结果，其电阻性阳极用于数字强子量能器，表现出98%的探测效率以及在5–6 mm厚配置下的平均打孔多重性低于1.2。该设计可在高计数率下稳定运行，放电概率极低（约10⁻⁶，对应π介子），并通过电阻层实现有效的放电抑制。

ABSTRACT

Beam studies of thin single- and double-stage THGEM-based detectors are presented. Several 10 x 10 cm^2 configurations with a total thickness of 5-6 mm (excluding readout electronics), with 1 x 1 cm^2 pads inductively coupled through a resistive layer to APV-SRS readout electronics, were investigated with muons and pions. Detection efficiencies in the 98% range were recorded with an average pad-multiplicity of ~1.1. The resistive anode resulted in efficient discharge damping, with few-volt potential drops; discharge probabilities were ~10^{-7} for muons and 10^{-6} for pions in the double-stage configuration, at rates of a few kHz/cm^2. These results, together with the robustness of THGEM electrodes against spark damage and their suitability for economic production over large areas make THGEM-based detectors highly competitive compared to the other technologies considered for the SiD-DHCAL.

研究动机与目标

• 评估薄型THGEM基探测器作为未来直线对撞机实验中数字强子量能器（DHCAL）采样元件的性能。
• 解决在紧凑、坚固且成本低廉的探测器中实现高探测效率与低打孔多重性的挑战，适用于高计数率环境。
• 研究双级结构中带有电阻性阳极的THGEM基探测器在高粒子通量下的稳定性与放电抗性。
• 优化探测器厚度与增益稳定性，以实现其在大型DHCAL系统（如SiD-DHCAL）中的集成。
• 通过比例响应与双阈值读出方式，探索THGEM基探测器在全DHCAL与半DHCAL概念中的可行性。

提出的方法

• 制造了10×10 cm²的单级与双级THGEM/SRWELL探测器，采用1×1 cm²的打孔，使用电阻性阳极层与100 µm的绝缘间隙，以实现与APV-SRS读出电子学的电感耦合。
• 在Ne/5%CH₄气体混合物中运行探测器，对THGEM与SRWELL电极施加550 V电压，实现约2500的有效增益。
• 在CERN-SPS进行束流测试，使用μ子与π介子，计数率高达3 kHz/cm²，以评估探测效率、打孔多重性与放电行为。
• 采用APV25前端电子学与SRS读出系统，记录簇电荷分布并监测放电期间的电压下降。
• 采用分段式电阻层与下方铜网格结构，以抑制电荷扩散，防止电子扩散导致的高多重性。
• 对比了五种配置的性能：两种单级SRWELL与三种双级THGEM+SRWELL，总厚度为5.8–6.3 mm。

实验结果

研究问题

• RQ1 THGEM基探测器是否能在适合DHCAL的亚6 mm厚配置中实现>95%的探测效率与<1.2的低打孔多重性？
• RQ2 与单级设计相比，双级THGEM+SRWELL配置在高计数率π介子束下的增益稳定性与放电抗性表现如何？
• RQ3 微放电（电压下降<10 V）与大放电（50–150 V）对THGEM基探测器中信号簇电荷分布与探测效率的影响是什么？
• RQ4 电阻性阳极层在高计数率强子环境中，对放电的有效抑制与信号劣化防护能力如何？
• RQ5 单级配置在高计数率π介子束下观察到的增益下降，是否可通过设计或运行参数优化加以缓解？

主要发现

• Double1配置在5.8 mm厚度下实现了98%的探测效率与1.1的平均打孔多重性，证明了其在紧凑几何结构中的高性能。
• Single2单级配置在5.8 mm厚度下实现了98%的探测效率与1.15的打孔多重性，尽管在高计数率π介子束下出现增益下降，仍表现出优异性能。
• 在双级配置（如Double1、Double3）中未观察到显著的增益下降，表明其相比单级设计具有更高的稳定性。
• 双级配置中，μ子的放电概率约为10⁻⁷，π介子的放电概率约为10⁻⁶，仅在顶部THGEM电极上观察到极少数大放电事件。
• 所有配置中均观察到微放电（电压下降<10 V），但在双级结构中未影响簇电荷分布或探测效率。
• 电阻性阳极层有效抑制了放电，仅产生数伏的电位下降，防止了信号劣化，支持其在高计数率环境中的鲁棒性。