[论文解读] Construction and operation of a Double Phase LAr Large Electron Multiplier Time Projection Chamber

A. Badertscher, L. Knecht+6 more|ArXiv.org|Nov 20, 2008

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用 16

一句话总结

本论文首次实现了基于大电子倍增器（LEM）进行电荷放大的双相液氩时间投影室（LAr TPC）的稳定运行。该原型机具有3升有效体积，在纯氩气和双相液氩条件下均通过双读出方式（LEM与阳极条纹）实现了宇宙射线轨迹的重建，证明了其在中微子与暗物质实验中具备可扩展、低成本、高分辨率探测器的可行性。

ABSTRACT

We successfully operated a novel kind of LAr Time Projection Chamber based on a Large Electron Multiplier (LEM) readout system. The prototype, of about 3 liters active volume, is operated in liquid-vapour (double) phase pure Ar. The ionization electrons, after drifting in the LAr volume, are extracted by a set of grids into the gas phase and driven into the holes of a double stage LEM, where charge amplification occurs. Each LEM is a thick macroscopic hole multiplier of 10x10 cm$^2$ manufactured with standard PCB techniques. The electrons signal is readout via two orthogonal coordinates, one using the induced signal on the segmented upper electrode of the LEM itself and the other by collecting the electrons on a segmented anode. Custom-made preamplifiers have been especially developed for this purpose. Cosmic ray tracks have been successfully observed in pure gas at room temperature and in double phase Ar operation. We believe that this proof of principle represents an important milestone in the realization of very large, long drift (cost-effective) LAr detectors for next generation neutrino physics and proton decay experiments, as well as for direct search of Dark Matter with imaging devices.

研究动机与目标

• 开发适用于下一代中微子与暗物质实验的可扩展、低成本大体积液氩TPC。
• 在液氩上方气相中通过大电子倍增器（LEMs）实现电荷放大，以提升信号读出性能。
• 通过精细分割的LEMs与定制低温前置放大器，在双相LAr TPC中实现高空间与能量分辨率。
• 验证基于LEM的TPC在纯氩中实现长漂移、低阈值探测的可行性。
• 建立基于LEM-TPC在双相运行下成像电离轨迹的原理验证。

提出的方法

• 探测器采用3升纯液氩的双相（液-汽）构型。
• 电离电子在液氩中漂移，并通过网格系统提取至气相。
• 电子通过双级LEM实现放大，LEM为具有毫米级孔径的厚型刚性印刷电路板孔式倍增器。
• 信号通过两个正交坐标系统读出：分段LEM条纹上的感应信号与分段阳极上的收集电荷。
• 开发了专用低温前置放大器，以在液氩中实现低噪声、高带宽信号处理。
• 通过室温下109Cd放射性源和双相运行中宇宙射线对性能进行了表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LEM的读出系统是否能在低温下于纯氩气中实现稳定、高增益的电子倍增？
• RQ2 电离电子能否被高效地从液氩中提取至气相，并在双级LEM中实现有效放大？
• RQ3 双相LAr LEM-TPC是否能实现对宇宙射线μ子轨迹的高空间与能量分辨率重建？
• RQ4 LEM在纯氩环境中的长期低温运行是否具备鲁棒性与兼容性？
• RQ5 该系统是否具备足够信噪比以实现暗物质与中微子实验中的低阈值探测？

主要发现

• LEM-TPC在室温下纯氩气中成功探测到宇宙射线轨迹，证明了信号链路的完整功能。
• 在87 K、1 bar压力下双相运行中测得约10^3的可测量增益，证实了电子倍增的有效性。
• 通过109Cd源校准确认，增益可在LEM孔内14 ± 0.3 kV/cm的电场范围内调节。
• 宇宙射线μ子轨迹在双相运行中被清晰重建，LEM与阳极条纹上的正交坐标读出显示出优异的信噪比。
• PMT信号揭示了三个明显的光峰：直接闪烁、气相中的比例闪烁以及雪崩过程产生的光，证实了LEM正常工作。
• 初始观察到LEM被液氩润湿，但数小时后恢复，表明无永久性退化，且与液氩具有良好的兼容性。