[论文解读] Thick GEM-like (THGEM) detectors and their possible applications

R. Chechik, M. Cortesi+4 more|ArXiv.org|Jun 18, 2006

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors被引用 11

一句话总结

本文介绍了厚型GEM-like（THGEM）探测器——一种通过标准印刷电路板（PCB）钻孔/蚀刻工艺制造的坚固、低成本气态电子倍增器。与标准GEM相比，THGEM的孔径尺寸大5–20倍，在双电极级联结构中可实现高达10^7的电荷增益，信号上升时间小于1纳秒，并在10^4增益下支持接近10 MHz/mm²的计数率，结合简单的延迟线读出方案可实现亚毫米级定位。这些特性使THGEM特别适用于标准GEM难以应用的大面积、高计数率和高可靠性辐射探测应用。

ABSTRACT

Thick GEM-like (THGEM) electrodes are robust, high gain gaseous electron multipliers, economically-manufactured by standard drilling and etching of thin printed circuit board or other materials. Their operation and structure are similar to that of standard GEMs but with 5 to 20-fold expanded dimensions. Due to the larger hole dimensions they provide up to 10^5 and 10^7 charge multiplication, in a single- and in two-electrode cascade, respectively. The signal rise time is of a few ns and the counting-rate capability approaches 10 MHz/mm^2 at 10^4 gains. Sub-mm localization precision was demonstrated with a simple, delay-line based 2D readout scheme. These multipliers may be produced in a variety of shapes and sizes and can operate in many gases. They may replace the standard GEMs in many applications requiring very large area, robust, flat, thin detectors, with good timing and counting-rate properties and modest localization. The properties of these multipliers are presented in short and possible applications are discussed.

研究动机与目标

• 开发一种适用于大面积应用的低成本、可扩展的标准GEM探测器替代方案。
• 利用标准PCB制造工艺，提升气态电子倍增器的机械鲁棒性和可制造性。
• 在孔径尺寸更大的前提下，实现与GEM相当的高电荷增益和快速信号响应。
• 通过简单的延迟线二维读出方案，实现亚毫米级定位精度。
• 评估THGEM在不同气体中以及在多种探测应用中的可行性。

提出的方法

• 采用标准印刷电路板钻孔与蚀刻工艺制造THGEM电极。
• 采用更大的孔径直径（比标准GEM大5–20倍），以增强电子倍增和电荷增益。
• 实施单电极与双电极级联结构，实现高达10^7的电荷增益。
• 采用基于延迟线的简单二维读出方案，实现空间定位。
• 在多种气体中运行探测器，以评估其性能与通用性。
• 在受控条件下测量信号上升时间、计数率能力与空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 THGEM是否能在比标准GEM更坚固且成本更低的前提下，实现相当的高电荷增益与快速信号响应？
• RQ2 在单电极与双电极THGEM结构中，最大可实现的计数率与增益分别是多少？
• RQ3 能否通过简单、低复杂度的延迟线读出系统实现亚毫米级空间定位？
• RQ4 THGEM的性能特征在不同气体和电极几何结构下如何变化？
• RQ5 THGEM在大面积、高计数率探测应用中，能在多大程度上替代标准GEM？

主要发现

• THGEM在单电极结构中可实现高达10^5的电荷增益，在双电极级联结构中可实现高达10^7的电荷增益。
• 信号上升时间在几纳秒量级，表明具有优异的时间响应性能。
• 在10^4增益下，计数率能力可达约10 MHz/mm²，适用于高计数率应用。
• 通过基于简单延迟线的二维读出方案，成功实现了亚毫米级定位精度（优于1 mm）。
• THGEM具有良好的机械鲁棒性，且可利用标准印刷电路板工艺经济高效地制造。
• 探测器在多种气体中均能有效工作，可制成各种形状与尺寸，适用于多样化应用。