[论文解读] THGEM-based detectors for sampling elements in DHCAL: laboratory and beam evaluation

L. Arazi, A. Breskin+18 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Dec 8, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本文评估了厚气电子倍增器（THGEM）作为高能物理中数字强子量能器（DHCAL）主动取样元件的性能。通过使用10×10 cm²的原型，配备1 cm²的感测垫，实验表明其探测效率超过95%，每个事例的垫点多重性低至1.1–1.2，放电概率低至2×10⁻⁶，且采用电阻性阳极可减少电荷扩散，从而提升薄型、坚固探测器设计的性能。

ABSTRACT

We report on the results of an extensive R&D program aimed at the evaluation of Thick-Gas Electron Multipliers (THGEM) as potential active elements for Digital Hadron Calorimetry (DHCAL). Results are presented on efficiency, pad multiplicity and discharge probability of a 10x10 cm2 prototype detector with 1 cm2 readout pads. The detector is comprised of single- or double-THGEM multipliers coupled to the pad electrode either directly or via a resistive anode. Investigations employing standard discrete electronics and the KPiX readout system have been carried out both under laboratory conditions and with muons and pions at the CERN RD51 test beam. For detectors having a charge-induction gap, it has been shown that even a ~6 mm thick single-THGEM detector reached detection efficiencies above 95%, with pad-hit multiplicity of 1.1-1.2 per event; discharge probabilities were of the order of 1e-6 - 1e-5 sparks/trigger, depending on the detector structure and gain. Preliminary beam tests with a WELL hole-structure, closed by a resistive anode, yielded discharge probabilities of <2e-6 for an efficiency of ~95%. Methods are presented to reduce charge-spread and pad multiplicity with resistive anodes. The new method showed good prospects for further evaluation of very thin THGEM-based detectors as potential active elements for DHCAL, with competitive performances, simplicity and robustness. Further developments are in course.

研究动机与目标

• 评估基于THGEM的探测器是否可作为DHCAL取样量能器中可行的主动元件。
• 在实验室与束流条件下，评估探测效率、垫点多重性及放电概率。
• 通过THGEM结构中的电阻性阳极，优化电荷感应并减少信号扩散。
• 在μ子与π子束流中，使用标准电子学与KPiX读出系统测试性能。
• 探索极薄THGEM探测器在后续DHCAL实现中的可行性。

提出的方法

• 构建了一个10×10 cm²的THGEM原型，采用单层或双层THGEM结构，配备1 cm²的读出垫。
• 探测器通过直接连接或经由电阻性阳极与垫电极耦合，以控制电荷扩散。
• 在实验室中通过脉冲信号测量效率、多重性及放电概率。
• 在CERN RD51实验中利用μ子与π子束流进行束流测试，以验证真实粒子相互作用下的性能。
• 采用两种读出系统：标准离散电子学与具备高计数率能力的KPiX芯片。
• 制造并测试了一种带孔结构（WELL）的THGEM，其配备电阻性阳极，以提升信号均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于THGEM的探测器能否在DHCAL取样元件中实现超过95%的探测效率？
• RQ2 配备与不配备电阻性阳极的THGEM探测器中，垫点多重性与电荷扩散分别为多少？
• RQ3 在束流与实验室条件下，THGEM探测器每触发一次的放电概率是多少？
• RQ4 电阻性阳极如何影响THGEM中的信号感应与电荷分布？
• RQ5 极薄的基于THGEM的探测器能否满足DHCAL对性能与可靠性的要求？

主要发现

• 6 mm厚的单层THGEM探测器在束流测试中实现了超过95%的探测效率。
• 垫点多重性测量值为1.1–1.2次/事件，表明串扰低且空间分辨率良好。
• 放电概率低至1×10⁻⁶至1×10⁻⁵/触发，具体取决于探测器结构与增益设置。
• 对于带电阻性阳极的WELL结构THGEM，放电概率低于2×10⁻⁶，同时效率保持在约95%。
• 采用电阻性阳极显著减少了电荷扩散，并提升了各垫之间的信号均匀性。
• 该新型电阻性阳极方法在进一步开发薄型、坚固的THGEM基探测器用于DHCAL方面展现出巨大潜力。