Experiences with a pre-series of micro strip gas counters with gas electron multipliers for high rate applications

Zander, Anette; Flügge, Günter

doi:290

Experiences with a pre-series of micro strip gas counters with gas electron multipliers for high rate applications

Zander, Anette (Author)

2001 & 2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anette Zander

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

Umfang121 S. : Ill.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Prüfungsjahr: 2001. - Publikationsjahr: 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Flügge, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2901
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56824/files/02_029.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Mikrostreifen-Gasdetektor (frei) ; LHC (frei) ; CMS-Detektor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mikrostreifengasdetektoren (MSGCs) sind ein vielversprechender Kandidat für großflächige Anwendungen. Sie vereinen eine gute Ortsauflösung mit hoher Granularität und einem geringen Preis. Als mögliche Erweiterung der einfachen MSGC kann eine Gas-Elektronenvervielfachungsfolie hinzugefügt werden, um die Betriebssicherheit zu erhöhen. Der äußere Teil der Spurkammer des Compact Muon Solenoid (CMS) Experimentes des zukünftigen Large Hadron Colliders (LHC) am Centre de Recherche Nucleaire (CERN) sollte mit MSGCs ausgestattet werden. In der zentralen Spurkammer sollten einfache MSGCs verwendet werden. Für den Vorwärts und Rückwärtsteil war MSGC+GEM Technologie vorgesehen. Diese Arbeit beschreibt den Bau und Test einer Vorserie von 18 voll funktionsfähigen MSGC+GEM Vorwärtsmodulen, deren Strahlenhärte und Tauglichkeit zur Massenproduktion getestet werden sollte. Fünf der Module wurden in Aachen gebaut, weitere 13 im 'Institut für Experimentelle Kernphysik' in Karlsruhe. Für die beschriebene Vorserie wurden zwei verschiedene GEM-Typen verwendet: 17 Folien wurden in einem Naßätzverfahren (in einer Werkstat des CERN) hergestellt, was zu einer doppelt konischen Lochform führte. Eine Folie wurde mit einem Plasmaätzverfahren (von der Firma Würth Elektronik) hergestellt, was zum Überätzen der Löcher führte. 1999 war es nicht klar, ob die Technologien der MSGC und MSGC+GEM der hohen Strahlenbelastung am LHC gewachsen waren. Um die Strahlenhärte der 18 Module zu testen, wurden sie zum Paul Scherrer Institut gebracht und dort in dem sogenannten 'mf2 milestone' für 376 Stunden unter LHC Bedingungen bestrahlt zu werden. 16 der Detektoren waren von ausreichender Qualität, um an dem Milestone teilzunehmen. Sie konnten über die 376 Stunden Strahlzeit stabil betrieben werden. Dabei wurden weniger als 0,14% der Auslesestreifen beschädigt. Daraus kann man eine reduzierte Ortsauflösung in weniger als 5% der aktiven Detektorfläche nach 10 Jahren Betrieb am LHC voraussagen. So konnte gezeigt werden, daß die MSGC+GEM Technologie für den Einsatz im CMS Experiment geeignet ist. Die fünf in Aachen gebauten Module, unter ihnen die Kammer mit der überätzten GEM, wurden in einem weiteren Test im Labor untersucht. Ihre Uniformität wurde untersucht, um festzustellen, ob eine Massenproduktion von MSGC+GEMs realistisch ist. Außerdem wurde die Pulsformung und Tranzparenz der Detektoren in den drei Gasmischungen Ne/DME, Ar/CO2 und Ne/DME/CO2 untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß lediglich die überätzte Folie in allen drei Gasmischungen unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann. Für die doppelt konischen GEMs muß ein schnelles Gas wie Ar/CO2 benutzt werden, um mit der verwendeten Ausleseelektronik auf dem Transparenzplateau arbeiten zu können. Außerdem wurden verschiedene Probleme, die bei einer Massenproduktion von Detektoren auftreten können, identifiziert, so daß in Zukunft Lösungen erarbeitet werden können. Auch wenn die MSGC+GEM Technologie nicht im CMS Experiment eingesetzt werden wird, beweist diese Arbeit, daß die Detektoren für den Einsatz an derartigen großflächigen Hochratenexperimente geeignet sind.

Micro strip gas chambers (MSGCs) are promising candidates for large scale applications. They combine a good spatial resolution with high granularity and low cost. As a possible extension of the plain MSGC, a Gas Electron Multiplier (GEM) foil may be implemented into the detector in order to increase the safety of operation. It was planned to equip the outer part of the tracking system of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the future Large Hadron Collider (LHC) at the Centre de Recherche Nucleaire (CERN) with MSGCs. In the barrel part of the tracker, plain MSGCs were to be used. For the forward part, the MSGC+GEM technology was envisaged. This thesis describes the assembly and test of a pre-series of 18 fully functional MSGC+GEM forward detector modules to determine their radiation hardness and their readiness for mass production. Five of the modules were built at Aachen, thirteen more at the 'Institut für Experimentelle Kernphysik' in Karlsruhe. For the pre-series, two different types of GEM foils were used: 17 foils were wet etched (by a workshop at CERN) in a procedure that resulted in double conical holes. One foil was plasma-etched (by Würth Elektronik GmbH) which has lead to an underetching of the GEM-holes. In 1999 it was not clear, whether the MSGC or MSGC+GEM technology are suited to withstand the high rate irradiation at the LHC. To test the radiation hardness of the 18 modules, they were taken to the the Paul Scherrer Institut to be irradiated for 376 hours under LHC-like conditions in the so-called 'mf2 milestone'. 16 of the detectors were found to be of good quality and were chosen to participate in the milestone. They showed stable operation during the 376 hours of irradiation, loosing less than 0.14% of the readout strips. This can be extrapolated to a degradation of spatial resolution in less than 5% of the active surface of the CMS outer tracker within 10 years of operation. Thus it could be shown that the MSGC+GEM technology is well suited for the operation in CMS-like experiments. The five Aachen-built modules, among them the one with the underetched GEM, have further been tested in a laboratory experiment. There the uniformity of the detectors was determined in order to find out whether a mass production of MSGC+GEMs is feasible. In addition, signal shaping and transparency were measured in different gas mixtures, namely Ne/DME, Ar/CO2 and Ne/DME/CO2. It was found that only the underetched foil can be operated under optimal conditions with all gas mixtures under test. For the double conical GEM, a fast gas like Ar/CO2 is required in order to operate on the transparency plateau with the readout electronics used. Finally, several problems that may arise in a detector mass production were identified so that solutions can be found in the future. Even though the MSGC+GEM technology was rejected for the CMS experiment, this thesis proves that the detectors are suited to equip large scale, high rate experiments.

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