基于厚气体电子倍增器读出的穿越辐射探测器研究

Thick Gaseous Electron Multiplier (THGEM) is a novel gaseous detector only developed recently. The operation mechanism and performance of a THGEM is very similar to that of a Gaseous Electron Detector (GEM). It has been under intensive study due to its low-cost, high gain, high rate capacity and modest spatial resolution. The development on THGEM has been a great progress in the global effort on micro-pattern detectors. The Transition Radiation Detector (TRD) is an important detection technique for identifying high-energy charged particle, especailly electron (and positron). The readout method involved in TRD is usually multi-wire chambers. However, with the newly deveoped THGEM technique, we plan to construct and study the TRD with THGEM as its readout method. Operation parameters suitable to TRD will be studied for THGEM detector. This work will on one hand extend our knowledge on the performance of THGEM, especially for those working in Xe-based gas misture. On the other hand, novel TRD prototype with high performance will be constrcuted and tested, and optimized. Such kind of new TRD with THGEM readout may be suitalbe in the experiments on an electron-ion collider (EIC).

厚气体电子倍增器（THGEM）是近十年来刚刚发展起来的一种新型气体探测技术，具有和气体电子倍增器（GEM）类似的工作原理和特点。由于其低造价、高增益、高计数率承受能力和较好的位置分辨本领，成为目前微结构气体探测器研发的热点之一。穿越辐射探测器（TRD）是高能带电粒子（尤其是电子）鉴别的重要方法，其读出常采用多丝室等传统技术。本项目拟将THGEM用于TRD读出中，研究适合于TRD探测的THGEM工作参数，一方面深入研究THGEM的工作原理，尤其是采用氙气为工作气体时THGEM的工作状态，另一方面将通过实验测试和参数优化，研制出新一代高计数率、高分辨能力的TRD。该THGEM-TRD可能适用于未来的电子-离子对撞机上的实验研究。

厚气体电子倍增器（THGEM）是近十年来刚刚发展起来的一种新型气体探测技术，具有和气体电子倍增器（GEM）类似的工作原理和特点。由于其低造价、高增益、高计数率承受能力和较好的位置分辨本领，成为目前微结构气体探测器研发的热点之一。穿越辐射探测器（TRD）是高能带电粒子（尤其是电子）鉴别的重要方法，其读出常采用多丝室等传统技术。本项目深入研究了THGEM的工作原理，并针对TRD的技术要求对THGEM相关性能开展测试分析，对基于THGEM读出的TRD技术开展模拟和实验分析。.通过本项目执行，在基于THGEM的TRD研究方面取得了较好的进展和成果。对灵敏面积5cmX5cm、10cmX10cm、30cmX30cm等多种尺寸的THGEM探测器开展了详细测试研究，并与类似GEM探测器对比实验。检验了THGEM在多种混合气体如Ar、CO2、异丁烷、Xe中的工作性能，测试了THGEM主要性能如增益、能量分辨随膜电场、漂移电场和感应电场的依赖关系。测试了不同厚度、孔径、孔间距和rim的THGEM的主要性能，结合模拟对比分析和理解了THGEM的工作机制。.通过X射线源和宇宙线分别测试了THGEM的增益、位置分辨和能量分辨等重要性能。在保证低放电概率的条件下，单层THGEM增益可达1000，多层THGEM增益在10000以上，均匀性在5%-20%范围。X射线位置分辨能力约100微米，宇宙线测试位置分辨为220微米，均满足TRD实验的要求。对Fe55-X射线，THGEM能量分辨率最好可达16%，最大则高于30%，对不同THGEM模块，其均匀性在5%-10%范围。高计数率运行显示，THGEM可承受100000Hz/mm2以上的X射线辐射。运行稳定性显示出THGEM的典型充电效应，需经半小时左右达到稳定，长期稳定性较好。.完成THGEM-TRD原型设计和实验安排。基于GEANT4工具包开展TRD模拟研究，通过与ALICE-TRD实验结果对比，获得了良好的模拟效果和性能参数。利用模拟结果开展TRD对电子和强子的鉴别，基于最大似然函数法，推论出3层THGEM-TRD可实现1-5GeV能区的良好鉴别，强子排除能力好于100。该结论可用于相关TRD探测器和实验谱仪粒子鉴别系统的设计参考，如未来的电子-离子对撞机上的实验研究。