CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FSCAS CBPF MESTRADO EM

CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSCAS (CBPF) MESTRADO EM FÍSICA 2019. 1 DESENVOLVIMENTO DE UM DETECTOR MULTITHGEM PARA DETECÇÃO DE RAIOS-X. Aluno: Sergio Araújo Inácio Orientadores: Herman Lima e Paulo Renato

Conteúdo • Thick-GEM • Métodos de construção e Teste dos nossos THGEM • Simulação (Magboltz)

O que é o Thick-GEM (Gas Electron Multiplier) Gas Electron Multiplier • O Thick-GEM funciona como um GEM; • Placa convencional de circuito impresso; • Furação mecânica (micro CNC);

Estudo do THGEM Rim = • Sem Rim ou com Rim ≤ 15 µm , o valor da diferença de potencial aplicada entre os eletrodos do THGEM ∆V = V 2 – V 1 é menor do que um dispositivo com Rim; • Sem Rim ou com um Rim ≤ 15 µm, os THGEMs apresentam pouca variação no ganho ao longo do tempo. Enquanto que com Rim largo ( 100 µm ), apresentam variações no ganho; • Com um diâmetro de Rim grande, acontece um acumulo de cargas nesta região, prejudicando o campo dentro dos orifícios e consequentemente diminuindo a multiplicação de elétrons. Por isso é recomendado o uso de Rim ≤ 15 µm; • O máximo ganho possível é proporcional ao inverso do diâmetro do furo;

Estudo do THGEM Quando os elétrons estão em estado de avalanche sob campos elétricos elevados as descargas são desencadeadas pelas imperfeições do THGEM como: • rebarba de cobre ao redor da borda, • polarização dielétrica do FR 4, • imperfeição dos furos. O THGEM com um tamanho de furo menor pode operar em tensão relativamente baixa e assim diminuindo a possibilidade de descarga.

Protótipo THGEM do LSD Espessura do THGEM (mm) Diâmetro de furo (mm) Passos entre furos (mm) Borda sem cobre (mm) 0, 2 0, 5 0 0, 2 0, 3 0, 7 0 0, 2 0, 4 0, 8 0

Detector Single-THGEM Os seguintes parâmetros foram utilizados para obtermos um bom resultado: • Gap de conversão: 4, 1 mm; • Gap de indução: 3, 1 mm; • Campo de conversão: 1, 5 k. V/cm; • Campo de indução: 3 k. V/cm;

Detector Duplo-THGEM Os seguintes parâmetros foram utilizados para obtermos um bom resultado: • Gap de conversão: 4, 1 mm; • Gap de transferência: 2 mm; • Gap de indução: 3, 1 mm; • Campo de conversão: 1, 5 k. V/cm; • Campo de Transferência: 2 k. V/cm • Campo de indução: 3 k. V/cm;

Estudo da estabilidade do THGEM tipo P Primeiramente, foi feito o levantamento do ganho do detector iluminado por uma fonte de 55 Fe, através dos sinais observados na parte superior (top) do segundo dispositivo THGEM e do anodo, utilizando as misturas gasosas Ar/CO 2 (70/30) e Ar/C 2 H 6 (75/25). Observa-se que o ganho no ânodo é menor que o ganho no top do segundo THGEM. Verifica-se que o ganho médio no top do segundo THGEM é cerca de 40% maior que o ganho médio no ânodo. Este comportamento pode estar relacionado às imperfeições causadas pelo método construtivo dos dispositivos THGEM.

Estudo da estabilidade do THGEM tipo P Uma maneira de minimizar os possíveis efeitos das imperfeições supracitadas é otimizar os campos de transferência e de indução. Variamos o campo de transferência nos seguintes valores: 1. 5, 2. 0, 2. 5 k. V/cm. E o campo de indução nos seguintes valores: 2. 5, 3. 0, 3. 5, e 4 k. V/cm.

Medida da estabilidade do ganho ao longo do tempo do THGEM P

Estudo da estabilidade do THGEM tipo M Observa-se que o ganho no ânodo é menor que o ganho no top do segundo THGEM, ou seja, o mesmo comportamento observado para o detector utilizando os dispositivos THGEM tipo P.

Medida da estabilidade do ganho ao longo do tempo do THGEM M

Simulação – O pacote Garfield++

Simulação com o Magboltz

Simulação com o Magboltz

Simulação com o Magboltz

Conclusão • Três novas geometrias já foram desenvolvidas, projetadas e confeccionadas que apresentaram um resultado parcialmente satisfatório como foi mostrado acima. • Foi publicada Um nota técnica com os resultados acima. • O próximo passo é usar a Máquina de prototipagem para PCI Proto. Laser 3 D ou litografia para criar um rim em cada dispositivo com vistas à obtenção do resultado adequado. • Aprimorar os resultados da simulação com o Garfield++. • Publicar artigos.

Referências [1] GEM: a new concept for electron amplification in gas detectors, F. Sauli, Nucl. Instrum. and Meth. A 386 (1997) 531. [2] Advances in Thick GEM-like gaseous electron multipliers—Part I: atmospheric pressure operation, C. Shalem, R. Chechik, A. Breskin, K. Michaeli, Nucl. Instrum. and Meth. A 558 (2006) 475– 489. [3] Effects of the electric field on the electron drift velocity in a double-GEM detector in different gas mixtures, P. R. B. Marinho, G. P. Guedes, A. F. Barbosa, P. C. M. A. Farias, Radiation Measurements 39 (2005) 515. [4] Using a Multilayer Printed Circuit Board as Position Sensing Electrode in a Triple-GEM Detector, P. R. B. Marinho, A. F. Barbosa, G. P. Guedes, IEEE Trans. Nucl. Scien. 52, 6 (2005) 2917 [5] A study of thinner – THGEM, with some aplications, H. B. Liu, Q. Liu, S. Chen, X. D. Ruan, C. Nicholson, Y. G. Xie, Y. H. Zheng, Z. P. Zheng, J. G. Lu, L. Zhou, A. S. Tang, Y. D. Yang, Y. Dong and M. Li [6] Progress towards a THGEM – based detector of single photons, M. Alexeev, R. Birsa, F. Bradamante e tal, Nucl. Instrum. and Meth. A 639 (2011) 130 - 133