Study and development of UV photodetectors envisaging COMPASS RICH-1 upgrade and applications

Abstract

COMPASS is an experiment at CERN’s SPS whose goal is to study hadron structure and spectroscopy. The experiment includes a wide acceptance RICH detector, operating since 2001 and subject to a major upgrade of the central region of its photodetectors in 2006. The remaining 75% of the photodetection area are still using MWPCs from the original design, who suffer from limitations in gain due to aging of the photocathodes from ion bombardment and due to ion-induced instabilities. Besides the mentioned limitations, the increased luminosity conditions expected for the upcoming years of the experiment make an upgrade to the remaining detectors pertinent. This upgrade should be accomplished in 2016, using hybrid detectors composed of ThGEMs and MICROMEGAS. This work presents the study, development and characterization of gaseous photon detectors envisaging the foreseen upgrade, and the progress in production and evaluation techniques necessary to reach increasingly larger area detectors with the performances required. It includes reports on the studies performed under particle beam environment of such detectors. MPGD structures can also be used in a variety of other applications, of which nuclear medical imaging is a notorious example. This work includes, additionally, the initial steps in simulating, assembling and characterizing a prototype of a gaseous detector for application as a Compton Camera.

O COMPASS é uma experiência no SPS do CERN cujo objectivo é estudar a espectroscopia hadrónica e a estrutura dos nucleões. A experiência inclui um detector RICH de larga aceitação, operacional desde 2001 e sujeito a um upgrade de parte dos seus fotodetectores em 2006. Os restantes 75% da área de fotodetecção ainda utilizam as MWPCs do desenho original, que sofrem de limitações de ganho devido ao envelhecimento dos fotocátodos pelo bombardeamento com iões e a instabilidades por eles induzidas. Além destas limitações, o aumento de luminosidade expectável nos próximos anos para a experiência tornam o upgrade dos restantes fotodetectores desejável. Este upgrade deverá acontecer em 2016 e deverá fazer uso de detectores híbridos compostos por ThGEMs e MICROMEGAS. Este trabalho apresenta o estudo, desenvolvimento e caracterização de fotodetectores gasosos com vista ao upgrade referido, e o progresso na produção e nas técnicas de avaliação necessário para alcançar as maiores áreas de detecção com os desempenhos exigidos. Inclui também a descrição e tratamento de exercícios com irradiação por feixe de partículas dos detectores em causa. Os MPGDs podem também ser usados em várias outras aplicações, entre as quais se destaca a imagiologia médica nuclear. Este trabalho inclui, adicionalmente, as etapas iniciais de simulação, montagem e caracterização de um protótipo de detector gasoso para aplicação como Câmara Compton.