Investigations of a pre-series of micro strip gas chambers with gas electron multipliers for high rate environments

Nowack, Andreas; Flügge, Günter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-3760

Investigations of a pre-series of micro strip gas chambers with gas electron multipliers for high rate environments

Nowack, Andreas (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Nowack

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangX, 172 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Flügge, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-07-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3760
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/57018/files/Nowack_Andreas.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mikrostreifengasdetektoren (MSGCs) eignen sich aufgrund ihrer guten Ortsauflösung und ihrer hohen Ratenkapazität für den Einsatz in modernen Experimenten der Hochenergiephysik. Die Verwendung von Gaselektronenvervielfachungsfolien (GEM-Folien) als zusätzliches Verstärkungselement erhöht die Betriebssicherheit und führt zu sog. MSGC+GEM-Detektoren. Der Spurdetektor des CMS-Experiments (Compact Muon Solenoid) am Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider), der am europäischen Kernforschungszentrum CERN (Genf, Schweiz) gebaut wird, sollte im Vorwärts- und Rückwärtsbereich mit solchen MSGC+GEM-Detektoren bestückt werden. Aus diesem Grund wurde eine Vorserie von insgesamt 18 Detektormodulen gebaut und einem sog. Meilensteinexperiment unterzogen, in dem sie ihre Eignung unter LHC-ähnlichen Bedingungen unter Beweis stellen mußten. In dieser Arbeit werden der Bau und der Test von fünf dieser Vorserienmodule beschrieben. Dabei werden Aspekte einer Massenproduktion behandelt, mögliche Probleme aufgezeigt und Ansätze zu ihrer Lösung vorgeschlagen. Die fünf Detektormodule wurden zusammen mit 13 weiteren, baugleichen Modulen am Paul-Scherrer-Institut (Villigen, Schweiz) mit einem Pionenstrahl mit einer maximalen Rate von 6 kHz/mm² bestrahlt. 16 Detektormodule erfüllten die Bedingungen des Meilensteinexperiments. Während einer Zeit von 376 Stunden unter LHC-ähnlichen Bedingungen wurden 1,42 pro mille der Auslesestreifen beschädigt, was deutlich unter dem geforderten Anteil von 2,3 pro mille liegt, der einer Reduktion der Ortsauflösung in 5% der aktiven Detektorfläche nach 10 Jahren LHC-Betrieb entspräche. Darüber hinaus führt die Bestrahlung mit hohen Teilchenraten zu Aufladungseffekten, die einen exponentiellen Abfall der Gasverstärkung der Detektoren um 10% mit einer Zeitkonstante von 14 Minuten zur Folge haben. Dies und etwaige Alterungseffekte lassen sich allerdings kompensieren, da ein stabiler Betrieb auch noch bei zwei- bis dreimal höheren Verstärkungen möglich ist. Zusätzlich wurden Tests mit der für das CMS-Experiment vorgesehenen Ausleseelektronik durchgeführt. Diese Tests zeigen, daß die Detektorsignale in erwarteter Weise beeinflußt werden. Somit ist die Übertragung der Ergebnisse des Meilensteinexperiments auf das CMS-Experiment möglich. Ferner konnte im sog. Entfaltungsmodus der Ausleseelektronik eine leichte Abweichung gemessen werden, die allerdings nur marginale Auswirkungen beim Betrieb mit einem Detektor hat. Obwohl MSGC+GEM-Detektoren nicht im CMS-Experiment eingesetzt werden werden, zeigen die hier vorgestellten Ergebnisse, daß diese Detektoren geeignet gewesen wären und in großen Stückzahlen hätten hergestellt werden können.

Micro Strip Gas Chambers (MSGCs) are suited for the application in modern experiments of high energy physics because of their good spatial resolution and their high rate capability. The use of Gas Electron Multiplier (GEM) foils as an additional amplification stage increases the safety of operation, and results in so-called MSGC+GEM detectors. The tracker of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC), which is being built at the European Laboratory for Particle Physics CERN (Geneva, Switzerland), was envisaged to be equipped with such MSGC+GEM detectors in the forward and backward regions. For this reason, a pre-series of altogether 18 detector modules was built, and underwent a so-called milestone experiment in which they had to prove their suitability under LHC-like conditions. In this paper, the production and the test of five of these pre-series modules are described. Furthermore, it is dealt with aspects of a mass production, possible problems are shown, and attempts for their solution are proposed. The five detector modules, together with 13 identically constructed modules, have been irradiated with a pion beam with a maximum rate of 6 kHz/mm² at the Paul-Scherrer-Institut (Villigen, Switzerland). 16 detector modules met the imposed criteria of the milestone experiment. During a time of 376 hours under LHC-like conditions, 1.42 per thousand of the readout strips have been damaged, which is well below the required portion of 2.3 per thousand, that would correspond to a reduction of the spatial resolution in 5% of the active detector area after 10 years of operation of LHC. Furthermore, the irradiation with large particle rates leads to charging-up effects, which result in an exponential decrease of the gas amplification of the detectors by 10% with a time constant of 14 minutes. But, this and possible ageing effects can be compensated since a stable operation is still possible at two to three times higher amplifications. Additionally, tests with the envisaged readout electronics for the CMS experiment have been done. These tests show that the detector signals are influenced in the expected manner. Thus, the transfer of the results from the milestone experiment to the CMS experiment is possible. Furthermore, a small deviation in the so-called deconvolution mode of the readout electronics has been measured. But this deviation has only a marginal impact on the operation with a detector. Although MSGC+GEM detectors will not be used in the CMS experiment, the results presented here show that the detectors would be suitable and could be produced in large quantities.

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