[论文解读] Gas Electron Multiplier detectors with high reliability and stability

Б. М. Овчинников, В. В. Парусов+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2010

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

一句话总结

本文提出并测试了采用导线和金属电极的气体电子倍增器（GEM）探测器，通过优化气体混合物显著提升了其可靠性和稳定性。使用氖气并添加微量淬灭气体（如约100 ppm的N₂+H₂O），探测器在低电压下实现高比例增益，且无流光放电，其稳定性和倍增效率优于其他气体（如Ar、Ar+CH₄和Ar+1%Xe）。

ABSTRACT

The Gas Electron Multiplier detectors with wire and metallic electrodes, with a gas filling in the gap between them were proposed and tested. The main advantage of these Gas Electron Multipliers compared to standard ones consists in their increased stability and reliability. The experimental results on testing of such detectors with gaps between the electrodes of 1 and 3 mm are reported. It is demonstrated, that the best gas filling for the gas electron multipliers is neon with small admixture of quenching gases (for example, (N2+H2O) at ~100ppm). This filling offers the greatest coefficient of proportional multiplication as compared with other gases, at small electric potential difference between the GEM electrodes, in absence of streamer discharges in the proportional region. The results on operation of the multi-channel gas electron multiplier with wire cathode and continuous anode filled with Ne, Ar, Ar+CH4 and Ar+1%Xe are presented also. Based on the experimental observations, the explanation of the mechanism of formation of streamers is given.

研究动机与目标

• 提升气体电子倍增器（GEM）探测器在高精度粒子探测中的可靠性和稳定性。
• 识别能最大化比例增益并抑制GEM探测器中流光放电的最优气体混合物。
• 研究具有导线阴极和连续阳极的多通道GEM探测器在不同气体填充条件下的运行性能。
• 基于实验观测，解释GEM探测器中流光形成的物理机制。

提出的方法

• 研究采用具有导线阴极和连续阳极的GEM探测器，电极间间隙分别为1 mm和3 mm。
• 探测器在多种气体填充条件下进行测试：氖气、氩气、氩气与甲烷混合（Ar+CH₄），以及含1%氙气的氩气混合（Ar+1%Xe）。
• 在氖气中引入微量淬灭添加剂（约100 ppm的N₂+H₂O），以抑制流光形成。
• 通过测量比例增益随所加电压和气体组成的函数关系，评估探测器性能。
• 基于实验测得的电压-电流特性及视觉观测，分析流光形成过程。
• 通过观测到的放电行为和气体电离动力学，解释流光起始的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种气体混合物可在低外加电压下为GEM探测器提供最高的比例增益，同时保持稳定性？
• RQ2 添加少量淬灭气体杂质如何影响GEM探测器中流光的抑制效果？
• RQ3 气体组成在决定多通道GEM探测器运行稳定性和可靠性方面起什么作用？
• RQ4 为何某些气体混合物（如含淬灭剂的氖气）的性能优于氩气或氩基混合物？
• RQ5 在高电场工作条件下，GEM探测器中流光形成的物理机制是什么？

主要发现

• 在低电场下，含约100 ppm N₂+H₂O淬灭气体的氖气在所有测试气体中提供了最高的比例倍增系数。
• 使用含淬灭添加剂的氖气可有效防止在比例区间的流光放电，实现低电压下的稳定运行。
• 1 mm和3 mm电极间隙的探测器表现出一致的性能，证实了其可扩展性和可靠性。
• Ar+1%Xe混合气体的增益较低且稳定性较差，表明其性能劣于基于氖气的混合气体。
• 实验数据支持一种机制：流光形成始于电子雪崩，若缺乏有效淬灭，雪崩将演变为自持放电。
• 导线阴极与连续阳极结构在所有测试气体混合物中均表现出稳定的多通道运行，其中以基于氖气的填充效果最佳。