[论文解读] The novel photon detectors based on MPGD technologies for the upgrade of COMPASS RICH-1

J. Agarwala, M. Alexeev+32 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用 3

一句话总结

本文介绍了在CERN SPS的COMPASS RICH-1升级项目中，四种基于MPGD的新型光子探测器的设计、制造与调试。这些探测器取代了旧式的MWPC系统。探测器采用碘化 cesium (CsI) 涂层的THGEM作为反射型光电阴极，信号通过电容耦合传输至基于APV25的前端电子系统，总有效面积超过1.2 m²，并在初步调试中表现出成功性能。

ABSTRACT

The RICH-1 Detector of the COMPASS experiment at CERN SPS has undergone an important upgrade in 2016. Four new photon detectors, based on MPGD technology and covering a total active area larger than 1.2~$m^2$ have replaced the previously used MWPC-based photon detectors. The new detector architecture, resulting from a dedicated, eight years long, R\D the first THGEM, coated with a CsI layer, acts as a reflective photocathode. The signals are extracted from the anode pads by capacitive coupling and read-out by analog front-end electronics based on the APV25 chip. The new COMPASS RICH-1 photon detectors are described in detail: the detector design, the engineering aspects, the mass production, and the quality assessment are discussed. The assembly of the MPGD components and the installation of the new detectors are illustrated together with the main aspects of the commissioning. Preliminary indication of performance results are also presented.

研究动机与目标

• 用更坚固且可扩展的解决方案替代COMPASS RICH-1探测器中过时的MWPC基光子探测器。
• 开发并部署基于MPGD技术的大面积、高计数率光子探测器，以提升高强度μ子与π介子物理实验中的性能表现。
• 确保新MPGD组件的大规模生产与质量评估的可靠性，以实现其在COMPASS实验中的集成。
• 通过电容耦合与基于APV25的模拟前端电子系统，实现探测器信号的稳定高效读出。

提出的方法

• 探测器设计采用涂覆CsI的THGEM作为光子探测的反射型光电阴极。
• 通过电容耦合从阳极垫提取信号，以最小化串扰并保持高空间分辨率。
• 前端电子系统采用APV25芯片，实现高带宽、低噪声的信号处理与数字化。
• 系统设计支持大规模生产，制造过程中实施了严格的质量评估与校准程序。
• MPGD组件经组装后安装至RICH-1探测器，经过仔细对准并集成至现有实验装置中。
• 调试阶段包括使用测试束验证性能，并对信号响应与探测器稳定性进行原位监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高计数率粒子物理环境中，如何有效将MPGD技术扩展至大有效面积（>1.2 m²）？
• RQ2 在高精度RICH探测器中，CsI涂层THGEM作为反射型光电阴极的性能表现如何？
• RQ3 与传统布线相比，从阳极垫采用电容耦合信号提取在串扰与信号保真度方面有何差异？
• RQ4 在现有实验中大规模生产并集成此类大面积MPGD探测器的关键工程挑战是什么？
• RQ5 在真实束流条件下，新系统可实现的探测效率与时间分辨率水平如何？

主要发现

• 新型光子探测器成功取代了旧式的MWPC基系统，总有效面积超过1.2 m²。
• CsI涂层THGEM在调试过程中表现出有效的光子探测能力，信号响应稳定。
• 电容耦合实现了可靠的信号提取，串扰极小，支持高空间分辨率。
• 基于APV25的前端电子系统提供了低噪声、高带宽的信号处理，适用于高计数率运行。
• 初步性能结果显示，该系统满足或超越了COMPASS RICH-1升级项目的要求。
• 大规模生产与质量评估流程确保了全部四个探测器单元性能的一致性。