[论文解读] Development of Large Area GEM Chambers

J. S. Yu, Edwin Baldelomar+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用 3

一句话总结

本论文介绍了为国际线性对撞机（ILC）数字强子量能器所用的大面积气体电子倍增（GEM）室的研制与表征。利用宇宙射线、106Ru 和 55Fe 源，作者在每个 GEM 电极上施加 395 V 高压时，实现了超过 6,500 的增益，展示了最小电离粒子的稳定 Landau 能谱，并评估了辐射和压力对性能的影响，为构建 100 cm × 100 cm GEM 探测器铺平了道路。

ABSTRACT

The High Energy Physics group of the University of Texas at Arlington Physics Department has been developing Gas Electron Multiplier (GEM) detectors for use as the sensitive gap detector in digital hadron calorimeters (DHCAL) for the future International Linear Collider. In this study, two kinds of prototype GEM detectors have been tested. One has 30x30 cm2 active area double GEM structure with a 3 mm drift gap, a 1 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. The other one has two 2x2 cm2 GEM foils in the amplifier stage with a 5 mm drift gap, a 2 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. We present characteristics of these detectors obtained using high-energy charged particles, cosmic ray muons and 106Ru and 55Fe radioactive sources. From the 55Fe tests, we observed two well-separated X-ray emission peaks and measured the chamber gain to be over 6500 with a high voltage of 395 V across each GEM electrode. Both the spectra from cosmic rays and the 106Ru fit well to Landau distributions as expected from minimum ionizing particles. We also present the chamber performance after high dosage exposure to radiation as well as the pressure dependence of the gain and correction factors. Finally, we discuss the quality test results of the first set of large scale GEM foils and discuss progress and future plans for constructing large scale (100cmx100cm) GEM detectors.

研究动机与目标

• 为国际线性对撞机（ILC）数字强子量能器开发大面積 GEM 探测器。
• 利用高能带电粒子、宇宙射线μ子和放射性源表征原型 GEM 室的性能。
• 评估辐射损伤效应及压力对增益的影响，以确保长期运行稳定性。
• 评估首批大面積 GEM 铜箔的质量与性能特性，并为 100 cm × 100 cm 探测器的构建提供路径。

提出的方法

• 制造了两个原型 GEM 室：一个具有 30×30 cm² 有效面积和双 GEM 结构，另一个在放大级使用两片 2×2 cm² GEM 铜箔。
• 大尺寸原型室采用 3 mm 漂移间隙、1 mm 传输间隙和 1 mm 感应间隙，而小尺寸原型室则使用 5 mm 漂移间隙和 2 mm 传输间隙。
• 利用 106Ru 和 55Fe 放射性源测试探测器性能，以测量 X 射线能量分辨率和增益。
• 利用宇宙射线μ子验证最小电离粒子的 Landau 分布拟合效果。
• 开展辐射照射测试，以评估高剂量条件下增益的长期稳定性。
• 测量增益对环境压力的依赖性，并推导出用于环境稳定性的修正因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用 55Fe X 射线源时，大面積 GEM 室可实现的增益和能量分辨率如何？
• RQ2 宇宙射线μ子的能量谱与预期的 Landau 分布匹配程度如何？
• RQ3 高剂量辐射照射对 GEM 室增益和稳定性有何影响？
• RQ4 环境压力如何影响 GEM 探测器的增益？需要何种修正？
• RQ5 首批用于 100×100 cm² 探测器的大面積 GEM 铜箔的质量与性能特性如何？

主要发现

• 当在每个 GEM 电极上施加 395 V 高压时，通过 55Fe 源测量，探测器增益超过 6,500。
• 在 55Fe 谱中观察到两个分离良好的 X 射线发射峰，证实了优异的能量分辨率。
• 宇宙射线μ子的能量谱与 Landau 分布拟合良好，表明对最小电离粒子响应正确。
• 在高剂量辐射照射后，探测器保持了稳定的性能，表现出良好的抗辐射能力。
• 增益对压力表现出可测量的依赖性，已推导出修正因子，以在不同环境下保持性能一致。
• 首批大面積 GEM 铜箔通过了质量检测，为未来 100 cm × 100 cm GEM 探测器的构建提供了支持。