New micro pattern gas detector for x-ray diffraction experiments in the sub-millisecond time scale

Abstract

En instal·lacions de radiació sincrotró, es necessiten detectors amb una bona resolució espacial i un alt ritme de contes local per tal de dur a terme experiments de difracció de raigs x en l'escala temporal del mil·lisegon. Els detectors de gas de micro-fabricació (MPGD) poden satisfer aquests requeriments gràcies a l'alta densitat d'elèctrodes que presenten. No obstant aquest tipus de detectors presenten dos grans problemes: descàrregues elèctriques destructives i un deteriorament continu durant el seu us continuat.<br/>En aquest treball presentem una nova estructura de MPGD: el Micro Reading Mesh Chamber (MRMC). És un MPGD amb un estadi d'amplificació. El detector està dividit en dues regions: la regió de deriva i la regió de multiplicació. Aquestes estan separades per una malla formada per elèctrodes de lectura. El pla de l'ànode té una capa de material resistiu a la seva superfície.<br/>El disseny del MRMC redueix els problemes que els actuals MPGD presenten. Entre d'altres avantatges, el posicionament dels elèctrodes de lectura a la malla incrementa la sensibilitat dels càtodes a la senyal. Això permet una reducció de la intensitat del camp elèctric de multiplicació. En conseqüència, la càrrega del detector i la probabilitat de descàrregues destructives es redueix.<br/>S'han realitzat diverses simulacions per tal d'avaluar i optimitzar el rendiment del detector. Degut al gran nombre de paràmetres que poden ser escollits i del gran nombre de característiques que en depenen, s'ha realitzat un treball de simulació i optimització global. En primer lloc, s'ha dissenyat un programa basat en tècniques Monte-Carlo per tal de simular el procés de detecció i poder així avaluar la resolució espacial en funció dels diferents paràmetres del detector. En segon lloc, s'han realitzat una sèrie de simulacions que involucren la simulació del moviment en tres dimensions de les càrregues i la seva multiplicació dins l'estructura de detecció. Aquests estudis inclouen la estimació de la transparència de la malla, l'estudi de les línies i els temps de deriva dels ions, i la simulació del procés d'allau. Part d'aquestes simulacions han estat verificades experimentalment. Finalment, les capacitancies entre els elèctrodes i l'ànode i entre elèctrodes s'ha simulat per tal d'avaluar el soroll electrònic i els efectes de "crosstalk".<br/>S'ha construït i provat un prototip. Els tests realitzats mostren una bona concordança amb les simulacions del guany. Així doncs, queda demostrat que el MRMC pot arribar a ritmes de contatge local >1.25·105Hz/mm2. No obstant, s'observen guspires en el detector degut a la presència de material dielèctric a la superfície dels càtodes. Degut a la superfície resistiva i la robustesa de l'estructura, el detector ha resistit les descàrregues sense rebre ningun dany. En conseqüència, per tal de que el MRMC esdevingui un detector útil, s'han de millorar tant el procediment de construcció, com les tècniques de neteja.<br/>En conclusió, es necessita més treball experimental per tal d'obtenir un detector lliure de descàrregues completament funcional pel qual les simulacions prediuen un alt ritme de comptes local (>1.25·105Hz/mm2) i una bona resolució espacial (>250?m).

At synchrotron radiation facilities, detectors with high spatial resolution and high local count rate are needed in order to perform x-ray diffraction/scattering on time resolved experiments on the sub-millisecond time scale. Micro Pattern Gas Detectors (MPGD) could provide good spatial resolutions and high count rate thanks to their small cells of amplification region. Despite their promising performance, two major problems have arisen: rare but damaging discharges and, slow but continuous deterioration (aging) during sustained irradiation<br/>Here we present a new MPGD structure: the Micro Reading Mesh Chamber (MRMC). It is a one stage amplification MPGD. It is divided in two regions: the drift/conversion region and the multiplication region. They are separated by a mesh formed by thick (25?m) pick-up strips. The anode plane has a resistive layer on it.<br/>The design of the MRMC reduces the problems that the present MPGD show. Among other advantages, placing the pick-up strips at the mesh, instead of at another readout plane, increases the signal sensitivity of the cathodes. It allows a decrease of the gain through a reduction of the multiplication field. Therefore, it reduces the charging up and the probability of voltage and rate-induced dielectric breakdown.<br/>Different simulations have been carried out to evaluate and optimize the performance of the detector. Due to the large number of detector parameters that can be chosen, and the features that depend on them, a global simulation was done. Firstly, a Monte-Carlo based program that reproduces the detection in the chamber has been developed in order to simulate the spatial resolution as a function of different parameters of the detector. Secondly, a set of studies that involve the simulation of the three dimensional movement of the charges in the chamber and its multiplication have been carried out. These models include the estimation of the mesh transparency, the study of the ion drift paths and times, and the simulation of the avalanche process. Part of these simulations has been cross-checked experimentally. Finally, the capacitances between the strips and the anode, and between strips has been simulated in order to evaluate the electronic noise and the crosstalk effects.<br/>After the simulation work, a prototype was built and tested. The tests show good agreement between the simulated and the experimental gain. This agreement on the space charge calculations demonstrates that the MRMC can deliver local count rates >1.25·105Hz/mm2. Moreover, due to the resistive layer and the strength of the structure, the detector survived without noticeable damage. However, the detector suffers from discharges because of dielectric deposits on the cathode surface. Therefore, to turn this device into a detector for routine use, it will be necessary to both improve the construction process of the mesh structure and to develop an exhaustive cleaning procedure.<br/>In conclusion, more experimental work is necessary to obtain a spark protected functional detector for which the simulations predict a high local count rate (>1.25·105Hz/mm2) and a good spatial resolution).