Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Abstract

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Os detetores de RICH (do inglês Ring Imaging Cherenkov) requerem grandes áreas fotossensíveis, capazes de operar em regime de fotão único, de modo estável e com ganhos elevados, em ambientes radioativos, ao mesmo tempo que são submetidos a elevadas taxas de irradiação, proporcionando uma resposta rápida e boa resolução temporal, e sendo insensíveis a campos magnéticos. O desenvolvimento de foto-detetores baseados em detetores gasosos micro-estruturados (Micro Pattern Gaseous Detectors – MPGDs) representa uma nova geração de foto-detetores gasosos. Em particular, detetores gasosos baseados em múltiplas camadas de THGEMs (THick Gaseous Electron Multipliers), ou de estruturas baseadas em THGEMs, acoplados com uma camada foto-conversora de CsI, parecem reunir os requisitos impostos para aplicação em detetores de RICH. Este trabalho incide no estudo da resposta de detetores gasosos baseados em THGEMs, em função dos seus parâmetros geométricos, e dos potenciais e campos elétricos aplicados, com vista à futura atualização do detetor RICH-1 da experiência COMPASS, no acelerador SPS no CERN. São realizados estudos adicionais para reduzir o refluxo de iões para o fotocátodo para minimizar o seu envelhecimento, e maximizar a eficiência de extração de fotoeletrões. Os estudos experimentais são complementados com resultados de simulações, realizadas também no âmbito deste trabalho.