Ion back-flow reduction in gaseous detectors with the micro hole and strip plate

• Author(s): Amaro, Fernando Domingues
• Date: 2010
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10316/15362
• Origin: Estudo Geral - Universidade de Coimbra
• Subject(s): Iões; Detectores gasosos
• Document Type: Doctoral Thesis
• Language: English
• Advisor(s): Santos, Joaquim Marques Ferreira dos; Veloso, João Filipe Calapez de Albuquerque

Description

We’ve developed and tested a set of techniques for the reduction of the ion back flow in cascaded gaseous detectors. These techniques have in common the fact that they make use of the properties of the Micro-Hole and Strip plate, a micro-patterned gas electron multiplier that presents two sets of strip electrodes on one of its surfaces. On a first approach to the problem of the ion back-flow reduction in gaseous detectors the Micro-Hole and Strip Plate was operated in reverse mode, trapping a fraction of the ions produced in the detector at its electrodes. The results have proven the efficiency of this method in trapping the ions in gaseous detectors but fell short in respect to the charge gain achievable. Nevertheless the validity of the method was proven and the work done opened the way to further improvements and developments. Another approach that we’ve tested exploits the production of secondary scintillation at the Micro-Hole and Strip Plate when operating in noble gases and CF4. In the detector developed, the Photon Assisted Cascaded Electron Multiplier, the propagation of the electric signal through the detector is mediated by UV photons and the transference of electric charges is partially blocked. We’ve proven the PACEM concept and compared several gas mixtures in respect to the optical gain and to the ion back flow reduction achievable. We’ve also developed and tested a new thick electron multiplier, the THCOBRA, which merges the properties of the Micro-Hole and Strip Plate with the ones of the thick electron multipliers. We’ve established its operation as a gaseous electron multiplier operating in several gases and incorporated it into the PACEM detector, replacing the MHSP in the production of the secondary scintillation. Neste trabalho desenvolveu-se um conjunto de técnicas com vista à redução do fluxo de iões em detectores gasosos compostos por cascatas de multiplicadores de electrões. Estas técnicas têm em comum o facto de utilizarem as propriedades da “Micro-Hole and Strip Plate”, uma microestrutura que possui numa das suas faces dois tipos de eléctrodos independentes. Numa primeira abordagem ao problema da redução do fluxo de iões em detectores gasosos a “Micro-Hole and Strip Plate” foi operada em modo reverso, com os seus eléctrodos polarizados de forma a capturar os iões positivos produzidos no detector. Os resultados obtidos demonstraram a eficácia deste método para capturar os iões positivos mas simultaneamente observou-se uma redução significativa do ganho em carga do detector. Uma outra abordagem testada passou pelo desenvolvimento de um novo tipo de detector, que explora a cintilação secundária produzida na “Micro-Hole and Strip Plate” durante as avalanches de electrões que ocorrem na região entre os seus eléctrodos quando esta opera em gases nobres e CF4. No detector desenvolvido, “Photon Assisted Cascaded Electron Multiplier”, a propagação do sinal eléctrico pela cascata de multiplicadores gasosos é mediada pelos fotões UV e a transferência de carga eléctrica é bloqueada. Demonstrámos a exequibilidade do conceito de transferência de sinal por meio da cintilação secundária e comparámos várias misturas gasosas relativamente ao ganho óptico e ao número de iões positivos que retrocede no detector nestas misturas. Foi também desenvolvido e testado um novo multiplicador gasoso do tipo “thick electron multiplier”, a THCOBRA. Avaliámos as suas propriedades como multiplicador gasoso de electrões, tendo obtido ganhos relativamente elevados em várias misturas gasosas, e aplicámos esta nova estrutura ao conceito do “Photon Assisted Cascaded Electron Multiplier”, tendo esta substituído a “Micro-Hole and Strip Plate” na produção de cintilação secundária. Tese de doutoramento em Física Tecnológica, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra This work was supported by Fundação para a Ciência e Tecnologia and by the European Social Fund, through Programa Operacional Potencial Humano (POHP) in the form of the grant SFRH/30318/2006.