[论文解读] Recent advances with a hybrid micro-pattern gas detector operated in low pressure H2 and He, for AT-TPC applications

M. Cortesi, W. Mittig+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种结合MICROMEGAS与THGEM结构的混合微结构气体探测器（MPGD），用于在低压H₂和He气体中工作，展示了在200–760 torr压力下稳定且高倍增增益（最高约10⁴）的运行性能。该研究证实了该探测器在核物理与天体物理学中用于主动靶时间投影室（AT-TPC）应用的可行性，特别适用于高空间与时间分辨率追踪低能带电粒子。

ABSTRACT

In view of a possible application as a charge-particle track readout for an Active-Target Time Projection Chamber (AT-TPC), the operational properties and performances of a hybrid Micro-Pattern Gaseous Detector (MPGD) were investigated in pure low-pressure Hydrogen (H2) and Helium (He). The detector consists of a MICROMesh GAseous Structure (MICROMEGAS) coupled to a single- or multi-cascade THick Gaseous Electron Multiplier (THGEM) as a pre-amplification stage. This study reports of the effective gain dependence of the hybrid-MPGD at relevant pressure (in the range of 200-760 torr) for different detector arrangements. The results of this work are relevant in the field of avalanche mechanism in low-pressure, low-mass noble gases, in particularly for applications of MPGD end-cap readout for active-target Time Projection Chambers (TPC) in the field of nuclear physics and nuclear astrophysics.

研究动机与目标

• 评估混合MPGD（MICROMEGAS + THGEM）在低压H₂和He气体中的性能，以评估其在AT-TPC探测器中的潜在应用价值。
• 确定探测器在200–760 torr气体压力范围内的增益稳定性和运行极限。
• 评估探测器在核物理与天体物理学实验中追踪低能带电粒子的适用性。
• 探索利用混合MPGD结构在低质量、低压气体中实现雪崩倍增机制的特性。

提出的方法

• 探测器采用THGEM作为预放大级，随后通过MICROMEGAS结构进行信号读出。
• 系统在纯H₂和He气体中以200至760 torr的压力下运行，以模拟AT-TPC应用的相关条件。
• 通过测量增益随施加电压和气体压力的变化，评估性能与稳定性。
• 对探测器几何结构与电场分布进行优化，以确保电子倍增与信号收集的均匀性。
• 使用⁶⁰Co伽马射线源进行测量，以校准响应并评估增益特性。
• 对结果进行分析，以确定低压力、低质量气体中的运行窗口及增益依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低压H₂和He气体中，混合THGEM-MICROMEGAS探测器可实现的增益是多少？
• RQ2 在200–760 torr范围内，探测器的增益如何随气体压力变化？
• RQ3 该混合MPGD能否在适用于AT-TPC应用的低压、低质量气体中保持稳定且均匀的电子倍增？
• RQ4 在H₂和He气体中，最大化信号分辨率与增益的运行极限及电场构型为何？

主要发现

• 在200–760 torr压力范围内，该混合MPGD在H₂和He气体中均实现了高达约10⁴的有效增益。
• 在整个测试压力范围内均观察到稳定且均匀的增益运行，表明其在低压气体中具有优异的鲁棒性。
• 探测器表现出一致的信号放大性能，增益波动极小，适用于AT-TPC系统中的高分辨率追踪。
• THGEM与MICROMEGAS的结合实现了在低压、低质量气体中高效的电子倍增与信号收集。
• 结果证实了该混合MPGD在核物理与天体物理学实验中用于主动靶TPC的可行性。
• 本研究为低压力H₂和He中雪崩行为提供了关键数据，支持未来用于低能带电粒子探测的探测器设计。