Study and Development of a new Electron Multiplier: GEM-MIGAS

Abstract

The concept of gas counter was introduced by Geiger in 1908. The first proto-types used wires to define the electrical field in the different detector regions, trough the application of voltage gradients. Over the years a lot of effort was put in the development of gas detectors in order to overcome some of the wire limitations. In 1988 the microstrip gas chamber was introduced and has shown a better performance than precedent detectors: high rate capability, excellent localization and good granularity. The-se are some of the characteristics that make them attractive for applications such as charged particle tracking at high luminosity colliders. The use of printed circuit board technology made possible the development of microstructures, avoiding the subtract degradation under continued irradia-tion. The microstructures turned out to be a more reliable and cheaper solution, an advantage to exploit new applications. The Gas Electron Multiplier (GEM) and Micromegas are promising examples developed under the microstructure concept. They have been extensively stud-ied over the years for many applications. The Gas Electron Multiplier with a Micro–Induction Gap Amplifying Structure (GEM-MIGAS), recently proposed by J. A. Mir, is a hybrid structure of a GEM coupled to a Micromegas induction gap, i.e. a GEM having a short induction gap from few tens to 300 μm. The development study and investigation of the GEM-MIGAS microstructure is the objective of this dissertation. As starting point, a three-dimensional elec-tric field simulation based on the element finite method was performed for the GEM-MIGAS detector, in order to determine the electric field profile in the dif-ferent regions. The GEM-MIGAS performance, concerning charge gain and en-ergy resolution, was investigated for an Ar/CH4 (90%/10%) gas mixture, pure CH4 and pure Ar using a 5.9 keV X-rays. This study was done for a convention-al GEM-MIGAS with the induction gap set to 50 μm. In further studies the gap thickness was extended to values between 50 and 300 μm. Using the single electron response method, the GEM-MIGAS charge gain was determined for a He/iso-C4H10 (85/15%) mixture, as a function of the induction region thickness. The ion back-flow was evaluated for the GEM-MIGAS microstructure with induction regions in the range 50-300 μm. For this study the GEM-MIGAS was coupled to a semitransparent CsI-photocathode and operated in Ar/5%CH4 gas mixture at atmospheric pressure. Finally, the GEM-MIGAS viability to neutron detection was investigated by determining its gain capability at elevated gas pressures using pure CF4 and He/ CF4 mixtures. The gain was determined as a function of the induction re-gion thickness (20 to 300 m) using a standard GEM (50 m hole diameter) for several CF4 pressures. Being also investigated the influence of the GEM hole diameter on gain at various CF4 pressures. Then the best configuration concern-ing the GEM hole diameter and the induction region thickness was used for the charge gain measurements in a He/ CF4 mixture.

O conceito de detector gasoso foi introduzido por Geiger em 1908. O primeiro protótipo foi desenvolvido com base na aplicação de uma diferença de potenci-al a um fio metálico, permitindo definir o campo eléctrico nas diferentes regiões do detector. Ao longo dos anos houve grande investimento no desenvolvimento de detec-tores gasosos de modo a ultrapassar as limitações apresentadas pelos modelos baseados em fios. Em 1988 surge a camara gasosa de microfitas evidenciando melhor performance que os detectores precedentes, como por exemplo alta taxa de contagem e excelente capacidade de localização. No entanto, a camara gasosa de microfitas revelou problemas de degradação do substrato aquando exposição prolongada à radiação. A utilização da tecno-logia de placa de circuito impresso possibilitou o desenvolvimento das microes-truturas, evitando o problema de degradação do substrato. Assim, as microes-truturas tornaram-se uma solução mais fiável e economicamente viável, permi-tindo explorar novas áreas de aplicação. O Gas Electron Multiplier (GEM) e a Micromegas são exemplos de microestrutu-ras, bastante utilizadas ao longo dos anos em diversas aplicações. O Gas Elec-tron Multiplier with a Micro–Induction Gap Amplifying Structure (GEM-MIGAS) proposto por J. A. Mir apresenta-se como uma estrutura hibrida que resulta da combinação de um GEM com uma Micromegas através de uma regi-ão de indução que varia entre 20 a 300μm O objectivo desta dissertação baseia-se no estudo e desenvolvimento da mi-croestrutura GEM-MIGAS. Nesse sentido, foi inicialmente desenvolvido um modelo electromagnético 3D utilizando o método de elementos finitos para es-tudar o perfil do campo eléctrico nas diferentes regiões da estrutura. A perfor-mance do ganho e resolução em energia da estrutura GEM-MIGAS foi avaliada em CH4 e Ar puros e numa mistura gasosa Ar/CH4 (90%/10%) usando raios X de 5.9keV. Este estudo foi realizado para a estrutura convencional, caracteriza-da por uma região de indução de 50 μm. A seguinte etapa passou pela avaliação da espessura da região de indução pa-ra valores entre 50 e 300 μm. Nesse sentido foi utilizado o método de resposta por electrão único para a determinação do ganho em carga em função da espes-sura numa mistura He/iso-C4H10 (85/15%). O fenómeno de refluxo de iões da estrutura GEM-MIGAS foi estudado para regiões de indução entre 50 e 300 μm, utilizando um fotocátodo semitranspa-rente de iodeto de césio a operar em Ar/5%CH4 à pressão atmosférica. Por último, foi analisada a possibilidade de aplicação da estrutura GEM-MIGAS na detecção de neutrões, determinando para o efeito as características do ganho em carga para diferentes pressões de CF4 puro e para uma mistura de He/CF4. O ganho foi determinado em função da região de indução (20 a 300 m) usando um GEM convencional (50 m de diâmetro do orifício). Sendo também investigada a influencia do diâmetro do orifício no ganho para dife-rentes pressões de CF4.