Μελέτη πρωτότυπου, πολυκαναλικού ανιχνευτή PICOSEC-MicroMegas: Αξιολόγηση της διακριτικής ικανότητας χρονισμού σήματος
Creators: name: Χατζηαναγνώστου Ευριδίκη Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: πολυκαναλικοί ανιχνευτές
χρονική διακριτική ικανότητα
διαμοιραζόμενο σήμα
multi-pad detectors
time resolution
signal sharing

description: PICOSEC-MM is a novel gas-filled detector, providing excellent time resolution, at level of picoseconds, while its implementation to a large-scale detector is feasible by anode's segmentation technique. In this work an updated PICOSEC-MicroMegas prototype with a segmented anode, consisted of 100 squared-symmetry pads, is presented and evaluated with data collected by experimental campaign held on July 2022. Four representative pads were instrumented and illuminated by an 80 GeV muon beam. Detailed data analysis and signal processing algorithms deployed in order to fully study the multi-pad PICOSEC prototype and explore its potential for precise timing of minimum ionizing particle events. Special care was taken during experimental equipment calibration and conditions representation. A two-step iterative algorithm was used for detector alignment with regard to beam's tracking frame. A constraint fit method, included in this technique, offered accurate estimations of pad centers coordinates, with uncertainties being less than 50 μm. A linear charge scaling transformation, aiming to neutralize asymmetrical signal pre-amplification, was applied, allowing comparison between pads and their timing properties. Independent treatment of individual pads revealed global timing attributes of the prototype, establishing detector's uniformity by the construction process and demonstrating the exceptional time resolution of 17.5 ps in average, for tracks near centers of pads. This is the case though when Cherenkov ring lies above a single pad and secondary electrons induce charge on a single readout channel. In cases of signal sharing, Cherenkov photons initiate avalanches close to pad edges and several pads are activated by a single event. For such events however, general correction functions proved insufficient, due to underlying physical mechanisms taking place during signal acquisition, and different approaches, dedicated to sharing areas, are introduced. An analytical technique, independent on any positional information supplied by tracking system, was developed to handle the problem of combining time measurements from multiple activated segments in cases of shared signals. A dedicated analysis near the cross point of neighboring pads required; slewing parametrizations of each pad with respect to the leading one (with maximum charge measured) were extracted and the solution of a χ2-estimator resulted to the time resolution of 22.17 ± 0.09 ps of PICOSEC detector even for shared signals. Lastly, an innovative machine learning method is proposed to assign time of shared signals. This approach includes the construction, training and evaluation of an Artificial Neural Network, able to provide timing predictions, with an accuracy no more than 20.9 ± 0.5 ps for events shared among several pads
description: Ο ανιχνευτής PICOSEC-MicroMegas ανήκει στην κατηγορία των ανιχνευτών αερίου γεμίσματος και αποτελεί μια καινοτόμα τεχνολογία, παρέχοντας μετρήσεις χρονικής ακρίβειας της τάξης των μερικών picosecond, ενώ η εφαρμογή του σε μεγάλη κλίμακα καθίσταται δυνατή με την τεχνική της κατάτμησης της επιφάνειας της ανόδου σε μικρότερα τμήματα (pads). Στην συγκεκριμένη εργασία, ένα πρωτότυπο ενός PICOSEC ανιχνευτή πολλαπλών καναλιών, 100 τετραγωνικών τμημάτων, παρουσιάζεται και αξιολογείται με βάση μια σειρά πειραμάτων που πραγματοποιήθηκε τον Ιούλιο του 2022. Τέσσερα αντιπροσωπευτικά τμήματα της ανόδου χρησιμοποιήθηκαν για την ενορχήστρωση του πειράματος και εκτέθηκαν σε δέσμη μιονίων ενέργειας 80 GeV . Αναλυτικοί αλγόριθμοι επεξεργασίας σημάτων επιστρατεύτηκαν για την μελέτη των δυνατοτήτων του ανιχνευτή σε μετρήσεις ακριβούς χρονισμού διέλευσης ελάχιστα ιονιστικών σωματιδίων. Ειδική προσοχή τέθηκε στον προσδιορισμό των παραμέτρων της πειραματικής διάταξης. Ένας επαναληπτικός αλγόριθμος, αποτελούμενος από δύο διακριτά βήματα, χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό της θέσης του PICOSEC ανιχνευτή σε σχέση με το σύστημα εργαστηρίου. Κατά την διαδικασία αυτή, προσδιορίστηκαν οι συντεταγμένες των κέντρων των pad, με ακρίβεια καλύτερη από 50μm. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί η ασύμμετρη ενίσχυση των σημάτων, εφαρμόστηκαν γραμμικοί μετασχηματισμοί μεταξύ των μετρούμενων φορτίων, επιτρέποντας τελικά την σύγκριση των pad και των ιδιοτήτων τους. Η μεμονωμένη διαχείριση των καναλιών ως ανεξάρτητα, οδήγησε στην εξαγωγή χαρακτηριστικών κοινών για ολόκληρο τον ανιχνευτή• επιβεβαιώνοντας την κατασκευαστική του ομοιομορφία και παρουσιάζοντας την εξαιρετική χρονική ακρίβεια των 17.5 ps κατά μέσο όρο για τροχιές κοντά στα κέντρα των pad. Η συγκεκριμένη απόδοση του ανιχνευτή αναφέρεται για περιπτώσεις όπου ο κώνος Cherenkov εναποτίθενται σε ένα μόνο pad. Για τις τροχιές εκείνες που βρίσκονται κοντά στα κοινά άκρα γειτονικών τμημάτων, ο κώνος Cherenkov μοιράζεται και τα παραγόμενα δευτερογενή φορτία διεγείρουν περισσότερα από ένα κανάλια. Για τέτοιου είδους μοιραζόμενα γεγονότα (shared signals), καθώς φέρουν ειδικούς μηχανισμούς κατά την παραγωγή και διάδοση τους, η γενική παραμετροποίηση αποδεικνύεται ανεπαρκής. Είναι λοιπόν απαραίτητο να βρεθούν διαφορετικές προσεγγίσεις, ικανές να διαχειριστούν τον τρόπο συνδυασμού της χρονικής πληροφορίας που προέρχεται από τα διαφορετικά ενεργά pad. Μια αναλυτική μέθοδος προτείνεται προς αυτήν την κατεύθυνση, η οποία αγνοεί πλήρως οποιαδήποτε χωρική πληροφορία προέρχεται από το tracking σύστημα. Έτσι παράγονται καμπύλες για το κάθε pad σε συνάρτηση με το κυρίαρχο pad (με την μέγιστη μέτρηση φορτίου), ειδικά στοχευμένες για τα άκρα, οι οποίες συνδυάζονται στην λύση ενός χ2-εκτιμητή, καταλήγοντας στην χρονική εκτίμηση των μοιραζόμενων σημάτων με ακρίβεια 22.17 ± 0.09 ps. Τέλος, προτείνεται μια εναλλακτική τεχνική χρονικής ανάλυσης, που εισάγει μεθόδους μηχανικής μάθησης. Συγκεκριμένα, ένα τεχνικό νευρωνικό δίκτυο (ΑΝΝ) κατασκευάζεται, εκπαιδεύεται και αξιολογείται, καταφέρνοντας να προβλέψει τον μετρούμενο χρόνο του PICOSEC ανιχνευτή με ακρίβεια που δεν ξεπερνά τα 20.9 ± 0.5 ps για σήματα μοιραζόμενα σε διάφορα pads