Ion backdrift minimisation in a GEM-based TPC readout

Lotze, Sven; Mnich, Joachim

doi:HT014732294

Ion backdrift minimisation in a GEM-based TPC readout = Minimierung der Ionenrückdrift in einer GEM-basierten TPC-Auslese

Lotze, Sven (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Lotze

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangV, 155 S.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mnich, Joachim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-04-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-14999
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60912/files/Lotze_Sven.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Zeitprojektionskammer (frei) ; GEM (frei) ; TPC (frei) ; Ionenrückdrift (frei) ; ILC (frei) ; Ion Backdrift (frei) ; Time Projection Chamber (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 29.40.Cs

Kurzfassung
In den vergangenen Jahren hat die internationale Gemeinschaft der Hochenergiephysiker einen Konsens erreicht, als nächsten großen Teilchenbeschleuniger nach dem LHC (Large Hadron Collider) den Elektron-Positron-Linearbeschleuniger ILC (International Linear Collider) zu bauen. Dieser wird eine Beschleunigung von Elektronen und Positronen auf Energien von bis zu 1 TeV erlauben, ohne dabei den großen Verlusten durch Synchrotron-Strahlung ausgesetzt zu sein, wie sie bei einem entsprechenden Beschleunigerring auftreten würden. Der Elektron-Positron-Linearbeschleuniger wird den LHC ergänzen: Der Hadroncollider kann die höchsten Energien und Luminositäten erreichen. Dadurch ist er zur Entdeckung neuer Teilchen prädestiniert. Im Gegensatz dazu bietet ein Leptonbeschleuniger saubere und eindeutig definierte Ereignisse, die für Präzisionsmessungen notwendig sind. Die angestrebte Genauigkeit über einen großen Energiebereich zu gewährleisten stellt eine Herausforderung für seinen Detektor dar. Insbesondere die Impulsauflösung, die Vertex-Rekonstruktion, die Energy-Flow-Messung und die Hermetizität müssen dafür im Vergleich zu den Detektoren bei LEP (Large Electron Positron Speicherring) deutlich verbessert werden.Eine der bevorzugten Möglichkeiten für die Hauptspurkammer des Linearbeschleunigers ist eine Time Projection Chamber (TPC), die in einem Magnetfeld von 4 T betrieben wird. TPCs wurden bereits in vielen Experimenten erfolgreich eingesetzt, zum Beispiel bei ALEPH und DELPHI am LEP. In diesen Detektoren wurden Anodendrähte zur Gasverstärkung in der Auslese der TPCs verwendet.Für die Spurkammer des Detektors am ILC wird als Alternative zu Drähten der Einsatz einer Mikrostruktur-Auslese, zum Beispiel durch Gas Electron Multiplier (GEMs), untersucht. GEM-Folien versprechen eine höhere räumliche Auflösung und eine intrinsische Unterdrückung der Ionen, welche bei der Gasverstärkung entstehen. Ionen, die in das sensitive Volumen der TPC zurückdriften, würden zu einer Raumladung führen, die die Homogenität des elektrischen Feldes beeinträchtigt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell für den Ladungstransfer durch Mehrfach-GEM-Strukturen entwickelt. Dieses Modell, welches auf der Parametrisierung von gemessenen Transfer-Koeffizienten basiert, erlaubt eine Optimierung der elektrostatischen Parameter der GEM-Auslese, um eine minimale Ionenrückdrift in das Driftvolumen der TPC zu erreichen. Die vorgestellten Messungen beinhalten die erste systematische Untersuchung des Einsatzes von GEMs in Magnetfeldern von bis zu 5 T mit einer Ausrichtung senkrecht zur Folienoberfläche. Diese Bedingungen werden in der Spurkammer des Detektors am ILC herrschen.Die Ergebnisse belegen, dass das hohe Magnetfeld zu keiner signifikanten Verschlechterung des Ladungstransfers in den Strukturen führt. Durch die Verwendung von optimierten Einstellungen wurde mit einer Dreifach-GEM-Struktur in einem Magnetfeld von 4 T eine Ionenrückdrift von nur 2,4 Promill erreicht. Es wurde gezeigt, dass dieser Wert in einem großen Bereich unabhängig von der effektiven Gasverstärkung ist. Zusätzliche Untersuchungen zeigen den Einfluss der minimierten Ionenrückdrift auf die Verzerrung von Spuren kosmischer Myonen in einer TPC.

During the last few years, the worldwide high energy physics community has reached a consensus that the next large particle collider which will be built after the LHC (Large Hadron Collider) will be the electron-positron linear collider ILC (International Linear Collider). It will allow accelerating electrons and positrons to energies of up to 1 TeV without the great losses due to synchrotron radiation specific to accelerator rings. The linear electron-positron accelerator will complement the LHC: The hadron collider can reach the highest energies and luminosities, which makes it a machine for the discovery of new particles. A lepton collider, on the other hand, provides clean and well defined events necessary for precision measurements. Reaching the aspired accuracy over a large energy range poses a challenge to its detector. Especially the track momentum resolution, vertex reconstruction, energy flow measurement, and hermeticity have to be considerably improved compared to the LEP (Large Electron Positron Collider) detectors.One of the preferred choices for the main tracking detector of the linear collider is a time projection chamber (TPC) operated in a magnetic field of 4 T. TPCs have been successfully employed in many experiments before, for example in ALEPH and DELPHI at LEP. In these detectors, anode wires provided the gas amplification in the TPC's readout.For the tracker of the ILC detector, the use of micro-pattern devices, for example Gas Electron Multipliers (GEMs), is studied as an alternative to wires. GEM foils promise a higher spatial resolution and an intrinsic suppression of the ions produced during gas amplification. Ions drifting back into the TPC's sensitive volume would lead to a space charge compromising the homogeneity of the electric field.In the scope of the present thesis, a model of the charge transfer through multi-GEM stacks has been developed. The model, which is based on the parametrisation of measured transfer coefficients, allows an optimisation of the electrostatic parameters of the GEM readout in order to reach a minimum ion backdrift to the TPC´s drift volume. The measurements presented include the first systematic study of the operation of GEMs in magnetic fields up to 5 T with an orientation perpendicular to the foil surface. These conditions will be encountered in the tracker of the ILC detector.The results show that there is no significant drop in the charge transfer efficiency of the structures due to the high magnetic field. Using optimised settings, an ion backdrift ratio of only 2.4 per mill has been reached with a triple GEM structure in a 4 T field. It has been demonstrated that this value is independent of the effective gain within a large range. Additional studies show the effect of the minimised ion backdrift on the distortion of tracks from cosmic muons in a TPC.

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