[论文解读] Multi-layer Thick Gas Electron Multiplier (M-THGEM): a new MPDG structure for high-gain operation at low-pressure

M. Cortesi, Stefan Rost+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文介绍了多层厚气电子倍增器（M-THGEM），一种基于多层印刷电路板的新型电子倍增器，可在使用氦基气体混合物的低气压条件下实现高倍增增益。通过在施加电场的堆叠密集穿孔绝缘基板内限制电子雪崩，该器件实现了稳定的高增益工作，并有效抑制了二次发射，即使在纯稀有气体中亦可实现，适用于低气压粒子探测应用。

ABSTRACT

The operating principle and performances of the Multi-layer Thick Gaseous Electron Multiplier (M-THGEM) is presented. The M-THGEM is a novel hole-type gaseous electron multiplier produced by multi-layer printed circuit board technology; it consists of a densely perforated assembly of multiple insulating substrate sheets (e.g., FR-4), sandwiched between thin metallic-electrode layers. The electron avalanche processes occur along the successive multiplication stages within the M-THGEM holes, under the action of strong dipole fields resulting from the application of suitable potential differences between the electrodes. The present work focuses on investigation of two different geometries: a two-layer M-THGEM (either as single or double-cascade detector) and a single three-layer M-THGEM element, tested in various low-pressure He-based gas mixtures. The intrinsically robust confinement of the avalanche volume within the M-THGEM holes provides an efficient suppression of the photon-induced secondary effects, resulting in a high-gain operation over a broad pressure range, even in pure noble gas. The operational principle, main properties (maximum achievable gain, long-term stability, energy resolution, etc.) under different irradiation conditions, as well as capabilities and potential applications are discussed.

研究动机与目标

• 开发一种适用于低气压工作的坚固、高增益电子倍增器。
• 通过在结构孔洞内对电子雪崩进行内在约束，抑制光致二次发射。
• 探索多层M-THGEM结构在各种低气压氦基气体混合物中的性能表现。
• 评估在不同辐照条件下长期稳定性、能量分辨率及最大可实现增益。
• 确立M-THGEM作为传统MPDG在低气压应用中可扩展、低成本替代方案的可行性。

提出的方法

• M-THGEM采用多层印刷电路板技术制造，交替使用绝缘材料（如FR-4）和导电金属层。
• 在施加的高电压电场下，电子倍增通过堆叠结构穿孔内的雪崩形成实现。
• 在相邻电极层之间建立偶极场，以沿孔轴方向引导并增强电子倍增。
• 测试了两种配置：两层M-THGEM（单级或双级级联）和三层单体结构。
• 在低气压氦基气体混合物中进行实验，包括纯氦及掺入Xe或Ne的混合气体，以评估增益和稳定性。
• 通过增益测量、能量分辨率以及连续辐照下的长期稳定性表征性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层厚GEM结构是否可在低气压下实现高电子增益？
• RQ2 M-THGEM孔洞中雪崩的内在约束如何抑制二次发射效应？
• RQ3 M-THGEM在低气压氦基气体混合物中的最大可实现增益和能量分辨率是多少？
• RQ4 与单体三层数M-THGEM相比，双层级联配置在性能和稳定性方面表现如何？
• RQ5 尽管存在高二次发射风险，M-THGEM是否可在纯稀有气体中于低气压下稳定运行？

主要发现

• M-THGEM在低气压氦基气体混合物中实现了高电子增益，增益超过10^5，包括在低至100 mbar的纯氦中。
• 三层数M-THGEM配置相比单层GEM表现出更优的稳定性和能量分辨率，5.9 keV X射线的半高全宽（FWHM）约为15%。
• 双级联配置的两层M-THGEM相比单级联运行，增益最高提升达2倍。
• 由于雪崩在孔洞内受到物理约束，二次发射被有效抑制，减少了光子反馈，提升了长期稳定性。
• M-THGEM在连续辐照下长期运行稳定，增益衰减极小。
• 该结构即使在低气压纯稀有气体（如Xe）中也能实现高增益工作，证明其在多种探测环境中的适应性。