Characterisation of large area THGEMs and experimental measurement of the Townsend coefficients for CF₄

Abstract

A: Whilst the performance of small THGEMs is well known, here we consider the challenges in scaling these up to large area charge readouts. We first verify the expected gain of larger THGEMs by reporting experimental Townsend coefficients for a 10 cm diameter THGEM in lowpressure CF 4 . Large area 50 cm by 50 cm THGEMs were sourced from a commercial PCB supplier and geometrical imperfections were observed which we quantified using an optical camera setup. The large area THGEMs were experimentally characterised at Boulby Underground Laboratory through a series of gain calibrations and alpha spectrum measurements. ANSYS, Magboltz and Garfield++ simulations of the design of a TPC based on the large area THGEMs are presented. We also consider their implications for directional dark matter research and potential applications within nuclear security.

Demonstration of ThGEM-Multiwire Hybrid Charge Readout for Directional Dark Matter Searches

“…These strong avalanche field are outside the operational range of more fragile electrode configurations in the conventional multiwire proportional counter (MWPC) geometry as used in DRIFT [28,29,30]. However, Thick Gaseous Electron Multipliers (ThGEMs) [31,32] have been demonstrated to produce gains of order 10 3 in SF 6 gas [24]. Initial results show that a gain of 10 4 can be achieved with a triple thin GEM setup [33].…”

Performance of 20:1 multiplexer for large area charge readouts in directional dark matter TPC detectors

“…The desire to scale-up directional dark matter (DM) TPCs (time projection chambers) with low energy thresholds has been building in recent years [1][2][3][4]. A ton-year scale directional DM detector is essential to reach the required sensitivity for DM-neutrino background discrimination beyond the so-called neutrino floor [5,6].…”

Desenvolvimento de Detectores a Gás de Padrão Microscópico para Experimentos com Raios X

“…Além dessas propriedades, há outras que são recorrentes e servem tanto para a comparação com dados experimentais quanto no estudo e proposição de novos dispositivos. Entre elas, podemos apontar o ganho de gás (Azevedo et al, 2016;Burns et al, 2017;Correia et al, 2018;Ogawa & Aoki, 2017;Supriya, 2016), movimento retrógrado de íons (Purba Bhattacharya et al, 2017;Hallermann, 2010;Wang et al, 2019), espectro de energia de raios X (Malinowski et al, 2018), resolução espacial (Kudryavtsev, Maltsev, & Shekhtman, 2019), dentre outras.…”

“…No presente trabalho, foram realizadas simulações de detectores GEM com três estágios (triplo GEM) utilizando o programa Garfield++ (Schindler et al, 2015) e outros programas, como o Elmer (http://www.csc.fi/elmer), o Gmsh (Geuzaine & Remacle, 2009) e o ParaView (Ahrens et al, 2019). Um aspecto interessante nesse trabalho é o fato de ser baseado em softwares de livre acesso, o que difere de boa parcela dos trabalhos nessa área, que optam por utilizar softwares proprietários, como o Ansys (Burns et al, 2017;Correia et al, 2018;Karadzhinova et al, 2015;Kudryavtsev et al, 2019;Maghrbi, Bouhali, & Ieee, 2013;Supriya, 2016;Wang et al, 2019) ou outra solução similar (Shohani et al, 2016). Uma possível explicação para isso pode estar relacionada a problemas na interface entre o Elmer e o Garfield++, passando por escolhas pessoais ou mesmo a problemas intrínsecos aos softwares livres, cujos suportes para sanar dúvidas e resolver problemas nem sempre são os mesmos que no caso das soluções do tipo software proprietário.…”

“…As simulações de ganho de gás no detector (número de ionizações produzidas pelo efeito avalanche) foram realizadas através da liberação de um elétron de uma dada posição A grandeza conhecida como ganho de gás é dada pelo tamanho da avalanche, isto é, pelo número de elétrons presentes na mesma. Ela depende principalmente de parâmetros intrínsecos do detector, da diferença de potencial aplicada e da pressão do gás (Charles, 1972;Stéphan, 1997 Isso é verdade porque o ganho experimental obtido tanto a partir de medições da corrente e da taxa de contagens de eventos sob exposição a uma fonte de raios X (Pulkkinen, 2013;Sales, 2015) quanto pelo pico do espectro de uma fonte radioativa (Burns et al, 2017;Patra, Singaraju, Biswas, Viyogi, & Nayak, 2018) são medidos considerando um grande número de eventos.…”