[论文解读] Test beam results of the GE1/1 prototype for a future upgrade of the CMS high-$\eta$ muon system

D. Abbaneo, M. Abbrescia+56 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 5被引用 3

一句话总结

本论文展示了GE1/1 II原型探测器在测试束流下的结果，该探测器是一种专为CMSμ子系统升级中高η区域（1.6 < |η| < 2.4）设计的大面积Triple-GEM探测器。采用3/1/2/1 mm间隙配置和Ar/CO2/CF4气体混合物，该原型在增益为7,000时实现了96.5%的探测效率，表现出亚100 µm的空间分辨率，并在3T磁场下展现出稳定性能，验证了GEM技术在HL-LHC高计数率、高精度前向μ子追踪与触发中的可行性。

ABSTRACT

Gas Electron Multipliers (GEM) are an interesting technology under consideration for the future upgrade of the forward region of the CMS muon system, specifically in the 1.6 &lt; |eta| &lt; 2:4 endcap region. With a sufficiently fine segmentation GEMs can provide precision tracking as well as fast trigger information. The main objective is to contribute to the improvement of the CMS muon trigger. The construction of large-area GEM detectors is challenging both from the technological and production aspects. In view of the CMS upgrade we have designed and built the largest full-size Triple-GEM muon detector, which is able to meet the stringent requirements given the hostile environment at the high-luminosity LHC. Measurements were performed during several test beam campaigns at the CERN SPS in 2010 and 2011. The main issues under study are efficiency, spatial resolution and timing performance with different inter-electrode gap configurations and gas mixtures. In this paper results of the performance of the prototypes at the beam tests will be discussed.

研究动机与目标

• 为CMS实验的高η区域（1.6 < |η| < 2.4）开发一种大面积极高精度的基于GEM的μ子探测器。
• 通过评估GEM技术作为抗辐射、高计数率的替代方案，解决电阻板室（RPC）在高亮度LHC恶劣环境下的局限性。
• 优化具有精细分割和最小间隙（1 mm）的全尺寸Triple-GEM探测器的制造与组装工艺，确保机械稳定性和电气性能。
• 在真实条件下验证探测器性能，包括高磁场（3T）和多种气体混合物，为未来集成到CMS前向μ子系统做准备。
• 证明可利用模拟脉冲幅度信息在大面积GEM探测器中实现高分辨率轨迹重建的可行性。

提出的方法

• GE1/1 II原型探测器为全尺寸Triple-GEM探测器，采用3/1/2/1 mm间隙配置（漂移、传输1、传输2、感应），以实现精细分割和高空间分辨率。
• GEM薄片通过单面光刻掩模工艺在50 µm聚酰亚胺上制作，覆有5 µm铜层，实现大面积生产中的精确孔洞图案化。
• 探测器包含35个高压区和每η分区384条读出条纹，条纹间距可变（0.6–1.0 mm），以优化分割并降低放电概率。
• 在CERN SPS H8和H4μ子束流线处进行束流测试，使用截面为2×2 mm²的π介子束流以最小化发散效应。
• 空间分辨率通过两台已知分辨率的小型参考GEM探测器（TR5和TR1，各10×10 cm²）测量，利用∆x和∆y分布分析推导出GE1/1 II的空间分辨率。
• 探测器使用VFAT2和APV25读出电子学运行，性能通过脉冲幅度信息、高压扫描和3T磁场下的时间测量进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高计数率和高磁场条件下，具有1 mm传输和感应间隙的大面积Triple-GEM探测器能否实现高探测效率和空间分辨率？
• RQ2 在不同气体混合物下运行时，GE1/1 II原型探测器的性能与小尺寸原型相比如何，其效率和分辨率表现如何？
• RQ3 3T磁场在多大程度上影响GEM探测器中的信号簇大小和位置分布？该影响是否与模拟预测一致？
• RQ4 能否利用全尺寸GE1/1 II探测器的模拟脉冲幅度信息实现亚100 µm的空间分辨率？其分辨率上限是多少？
• RQ5 在真实束流和磁场条件下，全尺寸GEM原型探测器的探测效率和增益稳定性能达到何种水平？

主要发现

• GE1/1 II原型探测器在增益为7,000时实现了96.5%的探测效率，证实了其在全尺寸运行下的优异性能与稳定性。
• 基于参考探测器的∆x分布分析，GE1/1 II原型探测器的空间分辨率上限为≤103 µm，使用模拟脉冲幅度信息时得出。
• 探测器在3T磁场下表现出稳定性能，簇大小未受影响，信号位移与GARFIELD模拟结果一致。
• 噪声水平可忽略不计，VFAT2阈值为12单位（≈0.08 fC），比较器电流设为40 µA，可在0–10⁴增益范围内实现低噪声运行。
• 使用Ar/CO2/CF4气体混合物（45:15:40）可实现最佳性能，探测效率和空间分辨率均无显著退化。
• 原型探测器成功展示了利用APV25读出电子学和完整脉冲幅度信息进行轨迹重建的能力，验证了该设计在未来CMS升级中的可扩展性。