[论文解读] Rate capability of large-area triple-GEM detectors and new foil design for the innermost station, ME0, of the CMS endcap muon system

M. Bianco, F. Fallavollita+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本文针对高亮度LHC升级中CMS ME0端盖μ子系统大面积极三-GEM探测器的速率能力限制问题，指出由于雪崩电流通过电阻保护电路导致的电压降，使高背景率下增益损失最高达40%。作者提出对GEM薄片进行方位角分割，以在无需电压补偿的情况下最小化增益损失，将平均增益下降控制在10%以下，同时确保各区域性能均匀。

ABSTRACT

To extend the acceptance of the CMS muon spectrometer to the region 2.4 $

研究动机与目标

• 解决高亮度LHC升级中CMS ME0端盖站大面积极三-GEM探测器的速率能力限制问题。
• 识别出导致探测器性能受限的根本原因并非空间电荷效应，而是雪崩电流通过电阻保护电路引起的电压降。
• 开发缓解策略，在高达150 kHz/cm²的总撞击率下维持有效增益。
• 提出并评估一种具有方位角分割的新型薄片设计，以消除电压补偿需求并确保响应均匀。
• 针对非均匀背景通量的高伪快度区域（2.4 < |η| < 2.8）优化探测器性能。

提出的方法

• 使用两个X射线源对10×10 cm²的极三-GEM探测器进行速率能力测量，以模拟高积分撞击率。
• 测量阳极电流，并通过参数函数 i_anode = (A·P_xray + B)/(1 + k·(A·P_xray + B)) 拟合，以提取无增益损失的本征电流。
• 利用测得的电流和保护电阻值（R = 10 MΩ）计算GEM和阴极电极上的电压降。
• 通过提高标称增益实施电压补偿，以抵消测得的增益下降，将有效增益恢复至2×10⁴。
• 提出对GEM薄片进行方位角分割（例如40个扇区），以降低每扇区的有效撞击率，从而最小化整体电压降。
• 结合背景通量模拟和实测增益下降数据，预测在CMS工作条件下方位角分割薄片的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 大面积极三-GEM探测器在类似CMS ME0站的高流强环境中的速率能力受何因素限制？
• RQ2 在高积分撞击率下，电阻保护电路上的电压降对探测器增益的退化程度如何？
• RQ3 电压补偿能否恢复有效增益？该方法的运行风险是什么？
• RQ4 与传统横向分割相比，GEM薄片的方位角分割在缓解增益损失方面表现如何？
• RQ5 40扇区方位角分割的GEM薄片设计的预期增益均匀性及总死区面积是多少？

主要发现

• 大面积极三-GEM探测器的速率能力受限于雪崩电流引起的电极电压降，而非空间电荷效应。
• 在高积分撞击率下实测增益损失最高达标称增益的40%，严重降低触发效率。
• 通过过压补偿可将有效增益恢复至2×10⁴，但需将标称增益提高至约6×10⁴，从而在束流丢失时增加损坏风险。
• 将GEM薄片分割为40个扇区后，每扇区平均撞击率降至1.5 MHz，增益损失最小化至约10%。
• 40扇区方位角设计的总死区面积约为探测器表面的1.75%，显著高于29扇区横向设计的0.1%。
• 新设计可实现均匀的撞击率分布，消除对扇区特定电压补偿的需求，并确保探测器增益与背景通量形状无关。