Research on large area VUV-sensitive gaseous photomultipliers for cryogenic applications

Tese de doutoramento em Engenharia Física, na especialidade de Instrumentação, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraDesde cedo que a comunidade científica compreendeu que gases nobres em liquido são excelentes meios de detecção de radiação, combinando a sua elevada densidade, elevado grau de homogeneidade e de elevado rendimento de cintilação. Para além destas características inerentes, estes têm a potencialidade de fornecer ambos sinais de ionização – criando electrões livres – e cintilação em resposta à interacção com radiação ionizante e, tendo em vista a sua aplicação em experiências de eventos raros relacionados com física de neutrinos ou matéria–escura, a capacidade de autoblindagem garante a exclusão de eventos induzidos por radiação de fundo. O facto de não absorverem a sua própria luz, emergente dos eventos de cintilação, permite a expansão deste tipo de detectores até grandes volumes, sendo que as colaborações mais recentes propõem detectores com dezenas de toneladas de xénon em estado liquido. As experiências actuais que usam gases nobres em estado líquido empregam xénon ou árgon numa só fase (estado líquido) ou em dupla-fase (estado líquido + gasoso) e as suas aplicações abrangem desde as já referidas experiências de procura de eventos raros, passando por imagiologia médica tais como detectores de radiação gama para PET ou câmaras Compton “3- γ” em combinação com PET, passando também por aplicações de segurança como sistemas de inspecção para detecção de material físsil e, finalmente, em câmaras Compton para aplicações de astrofísica. Em ambas as configurações a leitura dos sinais de cintilação é geralmente feita através de um grande número de dispendiosos fotomultiplicadores de vácuo agrupados. A presente tese de doutoramento é dedicada aos fotomultiplicadores gasosos de grande área para aplicações criogénicas desenvolvidos no contexto do programa doutoral, tendo em vista a sua eventual aplicação como um dispositivo complementar aos métodos existentes de detecção de cintilação, para aplicação em futuras experiências de grande escala. Esta pesquisa foi direccionada tendo em vista o desenvolvimento de eficientes fotomultiplicadores gasosos de grande área, potencialmente mais económicos por unidade de área, baseados em “Thick Gas-Electron Multipliers” (THGEMs). Combinando fotocátodos de alta eficiência com multiplicadores gasosos de electrões capazes de atingir elevado ganho em carga obteve-se assim um dispositivo com elevada sensibilidade para a detecção de fotões únicos, com a possibilidade de discriminação em posição com resolução espacial inferior a um milímetro e com resolução temporal da ordem de poucos nano segundos. Contrariamente ao que sucede com a tecnologia de vácuo actualmente, com este dispositivo a localização em posição de fotões em grandes áreas é feita num único dispositivo integrando electrónica habitualmente utilizada em experiências de rastreamento de partículas. Neste trabalho o fotomultiplicador gasoso desenvolvido consiste numa cadeia de THGEMs combinados com um fotocátodo de iodeto de césio (CsI) sensível ao ultravioleta enquanto que os testes criogénicos foram realizados na Time Projection Chamber (TPC) de dupla fase de xénon líquido recentemente desenvolvida no Weizmann Institute of Science (WILiX). Relativamente ao GPM desenvolvido foram medidos ganhos máximos em carga de ~8×10^5 em misturas de Ne/CH4(5%) e de ~3×10^5 em misturas de Ne/CH4(20%), a uma pressão de 0.7bar à temperatura de ~180K, para fotões únicos. Foi obtida uma probabilidade de descarga com uma mistura de Ne/CH4(5%) a um ganho em carga de 1×10^5 e com sinais de cintilação secundária S2, induzidos por partículas alfa, a uma taxa de 40Hz de cerca 10^-6. Foram medidos desvios no ganho em carga de cerca de 7–15% durante um período de dois meses, operando em modo selado com 0.7bar de Ne/CH4(20%) a uma temperatura de ~190K, não se registando mudanças significativas tanto para fotões únicos induzidos por uma lâmpada UV como para sinais de cintilação primária S1 induzidos por partículas alfa, indicando a estabilidade da mistura em modo selado assim como para a estabilidade da eficiência quântica do fotocátodo de iodeto de césio. Para além disso foi obtido um valor de 1.2 – 1.3ns para a resolução temporal do GPM em resposta a sinais de cintilação, induzindo cerca de 170–200 fotoelectrões iniciais no GPM. Para a leitura em posição de eventos o GPM foi equipado com um ânodo segmentado em “pads” individuais, cujo desenho foi precedido por extensas simulações em GEANT4 que forneceram dados importantes para a optimização da geometria dos ânodos e qual a resolução espacial esperada para diferentes configurações. Das simulações pôde-se determinar que a resolução espacial esperada do GPM será ~5mm para sinais de cintilação devido a 10 electrões numa TPC de xénon liquido de dupla fase. Nos testes realizados determinou-se que para ~1.3×10^5 fotoelectrões iniciais a posição calculada apresenta um desvio menor que um milímetro da posição real. Os estudos iniciados em Coimbra combinando multiplicadores gasosos de electrões com regiões de indução micrométricas (GEM–MIGAS) fomentaram o desenvolvimento de um análogo com THGEMs e regiões de indução sub–milimétricas. Estes estudos envolveram simulações electrostáticas de forma a compreender a relação entre os campos eléctricos no interior de THGEMs e da região de indução enquanto que o trabalho experimental demonstrou que com misturas de Ne-CH4, sendo mais eficientes em absorver a radiação UV das avalanches, permitem atingir ganhos mais elevados em condições estáveis. Foram também testadas misturas à base de hélio uma vez que podem potencialmente apresentar uma boa alternativa para misturas à base de néon, devido ao ganho em carga elevado, aplicando tensões de operação mais reduzidas, semelhante eficiência de extracção de fotoelectrões e custos mais reduzidos. Em modo de corrente, um detector com um estágio apresentou ganhos superiores a 10^5.Liquid noble gases are known to be excellent detection media due their characteristics of high density, high homogeneity and high scintillation yield. They provide both ionization and scintillation signals when transversed by ionizing particles and efficient background suppression due to self-shielding. They are transparent to their own scintillation light and allow expansion to large detector masses. Current noble liquid detectors employ either liquid argon or liquid xenon, in single-phase (liquid only) or double-phase (liquid and gas) configurations and the present application ranges from detection of rare scattering events like Dark Matter search or neutrino physics, to medical imaging like in gamma detectors for PET and LXe Compton Telescope for “3-γ imaging” in combination with PET, gamma/neutron imaging detectors for radionuclide security inspections and Compton Cameras for applications in astrophysics. Both configurations rely on measuring the scintillation light emitted from the liquid-phase or from the liquid and gas-phases with costly large arrays of vacuum photomultipliers. This Ph.D. thesis is dedicated to the large-area cryogenic gas-avalanche photomultipliers (GPMs) prototypes developed within the Ph.D. program, envisioning their application as a complimentary scintillation detection method for current and future large scale experiments. The research and development efforts aimed for a potentially economic and efficient large-area GPM based on Thick Gas-Electron Multipliers – THGEMs – combining a high efficiency photocathode with a high-gain gas-avalanche electron multiplier, providing high single-photon sensitivity and the possibility for localization of the photons with sub-mm spatial resolution and few-ns temporal resolution. Unlike current vacuum devices, photon localization over large areas can be made in a single device, using integrated electronics developed for particle tracking. The GPM consists on a cascade of THGEMs combined with a cesium iodide UV-photocathode and the cryogenic tests were performed coupling it to a double-phase liquid xenon detector (a Time Projection Chamber; TPC), in the recently developed Weizmann Institute Liquid Xenon – WILiX – cryogenic system. Moreover, for the successful use of a cesium iodide photocathode, techniques for the production, characterization and transportation were developed and implemented which allowed systematically reproducing photocathodes whose quantum efficiency ranged from 24% to 30% for a wavelength of 175nm, corresponding to the liquid xenon scintillation light, and assembling them to the GPM successfully. Within the Ph.D. thesis it is shown that the maximum gain obtained at 0.7bar and 180K was ~8×105 for Ne/CH4(5%) and ~3×105 for Ne/CH4(20%), for single-photons. With Ne/CH4(5%) at a gain of 1×105 and alpha particle-induced S2 signals at a rate of 40Hz, the discharge probability was found to be of the order of 10-6. Over a period of two months, operating in sealed mode at 0.7bar of Ne/CH4(20%) at a temperature of ~190K, gain measurements were consistent within 7–15%, showing no significant change both for the UV–lamp induced signals and alpha-induced S1 signals, indicating that there were no significant changes in either the gas composition or the CsI quantum efficiency. In terms of the time resolution of the GPM – defined as the temporal spread, or jitter, of the GPM response pulse to a scintillation signal – it was found that for scintillation signals producing ~170 – 200 photoelectrons the resolution was on the nanosecond scale, approaching ~1.2 – 1.3ns at a gain of 3×105. For position sensitive capability the GPM was equipped with position sensitive anodes. Their design was preceded by extensive and CPU–time intensive GEANT4 simulations and analysis that provided valuable information on the expected spatial resolution for different conditions. For the selected pixel size and geometry one can expect a position resolution of ~5mm for scintillation signals due to 10electrons in a double–phase LXe TPC. The tests performed with a second GPM showed that for ~1.3×105 initial photoelectrons the calculated centers–of–gravity are in very good agreement (sub-millimeter) to the actual UV source positions. Furthermore, following the promising studies performed in Coimbra with Gas Electron Multipliers with a micro-induction gap amplifying structure – GEM–MIGAS – an analogous configuration consisting of a THGEM coupled to a submillimetric induction gap was investigated to eventually obtain a GPM configuration capable of reaching higher gains with lower biasing voltages. The investigation combined extensive simulation work showing an interdependence of hole/induction region electric fields while experimental results showed that Ne-CH4 mixtures, having a more effective UV quenching than Ne-CF4 mixtures, allowed achieving higher charge gains in stable operating conditions. Helium based mixtures were also tested in terms of charge–gain and photoelectron extraction efficiency, since they can present a good alternative to Ne-based mixtures for the potential higher gains, with lower applied voltages, similar photoelectron extraction efficiency and lower costs. A Single-THGEM detector was operated in He/CF4 and He/CH4 mixtures reaching effective charge-gains well above 105, measured in current mode, applying relatively low voltages, when compared to Ar mixtures