[论文解读] Toward Application of a Thick Gas Electron Multiplier (THGEM) Readout for a Dark Matter Detector

M. Gai, D. N. McKinsey+7 more|ArXiv.org|Jun 8, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出使用基于Cirlex的厚气电子倍增器（THGEMs）作为低温液氩暗物质探测器中传统光电倍增管（PMTs）的低放射性替代品。THGEMs可在氙气中探测电离电子和闪烁激发的光电子，其增益与传统G10-THGEMs相当，同时显著降低了铀/钍污染带来的本底，该结果已在室温下的气体和氙气腔体测试中得到验证。

ABSTRACT

The Yale-Weizmann collaboration aims to develop a low-radioactivity (low-background) cryogenic noble liquid detector for Dark-Matter (DM) search in measurements to be performed deep underground as for example carried out by the XENON collaboration. A major issue is the background induced by natural radioactivity of present-detector components including the Photo Multiplier Tubes (PMT) made from glass with large U-Th content. We propose to use advanced Thick Gaseous Electron Multipliers (THGEM) recently developed at the Weizmann Institute of Science (WIS). These "hole-multipliers" will measure in a two-phase (liquid/gas) Xe detector electrons extracted into the gas phase from both ionization in the liquid as well as scintillation-induced photoelectrons from a CsI photocathode immersed in LXe. We report on initial tests (in gas) of THGEM made out of Cirlex (Kapton) which is well known to have low Ra-Th content instead of the usual G10 material with high Ra-Th content.

研究动机与目标

• 通过用低放射性PMTs替代含有高浓度铀/钍同位素并发射α粒子和次级中子的玻璃PMTs，以降低暗物质探测器中的本底。
• 开发一种适用于液/气两相氙气时间投影室的低放射性电荷读出系统。
• 测试使用低镭/钍聚酰亚胺替代高镭/钍G10制成的Cirlex-THGEMs，作为传统THGEMs的可行替代方案。
• 验证新型THGEM设计在氙气环境中对电离电子和闪烁诱导光电子的探测能力。

提出的方法

• 采用0.4 mm厚的聚酰亚胺（Kapton）并使用专有的无胶方法在双面涂覆铜膜，制备了15块Cirlex-THGEM板。
• 在LNS的Avery Point实验室使用241Am α源在气相中进行测试，测量电子倍增增益和信号分辨率。
• 在室温下对氙气腔体进行了初步测试，利用PMT探测瞬时闪烁光，并测量Cirlex-THGEM放大后的电荷信号。
• 在氩气中比较Cirlex-THGEM与G10-THGEM的增益性能，并在更高气压下与双层G10-THGEM进行对比，以评估信号放大效率。
• 使用浸没在液态氙中的CsI光阴极产生光电子，将其提取至气相并在THGEM中倍增。
• 未来计划在布鲁克海文国家实验室进行高精度钻孔，以制造更大、更均匀的THGEM，用于完整探测器集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cirlex-THGEMs在氙气和氩气混合气体中能否实现与传统G10-THGEMs相当的电子倍增增益？
• RQ2 使用Cirlex替代G10是否能显著降低本征放射性，特别是镭/钍同位素的含量？
• RQ3 Cirlex-THGEMs能否在氙气环境中有效探测电离电子和闪烁诱导的光电子？
• RQ4 当暴露于α源时，Cirlex-THGEM的信号分辨率和峰宽与标准探测器相比如何？
• RQ5 在模拟两相氙探测器的条件下，Cirlex-THGEM的信号响应是否稳定且可测量？

主要发现

• Cirlex-THGEM板在α信号响应中的峰宽与241Am源的13%能量分辨率高度一致，表明其具有良好的信号分辨率。
• 在氩气和室温下氙气中，Cirlex-THGEM的电子倍增增益与传统G10-THGEMs相当。
• 在室温下氙气中，Cirlex-THGEM成功探测并放大了由瞬时闪烁产生的光电子的电荷信号，该结果通过同步PMT光探测得到证实。
• Cirlex-THGEM的信噪特性与峰形与低本底电子倍增器的预期表现一致。
• Cirlex板的铜膜涂层工艺中无胶水或其他附加材料，最大限度减少了潜在的放射性污染物。
• 结果支持Cirlex-THGEMs作为未来低温稀有气体液体暗物质探测器中PMTs的低本底替代方案的可行性。