Resolution studies of a GEM-based TPC

Killenberg, Martin; Mnich, Joachim

doi:HT015037017

Resolution studies of a GEM-based TPC = Auflösungsstudien einer GEM-basierten TPC

Killenberg, Martin (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Killenberg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVIII, 121 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Prüfungsjahr: 2006. - Publikationsjahr: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mnich, Joachim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-12-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18020
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61694/files/Killenberg_Martin.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Zeitprojektionskammer (frei) ; GEM (frei) ; ILC (frei) ; Prototyp (frei) ; Homogenität (frei) ; Ortsauflösung (frei) ; Gas Electron Multiplier (frei) ; TPC (frei) ; time projection chamber (frei) ; prototype (frei) ; hodoscope (frei) ; magnetic field (frei) ; spatial resolution (frei) ; homogeneity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der nächste große Beschleuniger, der nach dem Large Hadron Collider LHC gebaut werden wird, ist der Elektron-Positron Linearbeschleuniger "International Linear Collider" ILC. Die Konzepte der beiden Beschleuniger ergänzen sich gegenseitig. Der LHC erreicht Schwerpunktsenergien bis zu 14 TeV und hat ein hohes Entdeckungspotential. Der ILC hingegen erlaubt Messungen von hoher Präzision durch den gut bekannten Anfangszustand. Ein Detektor für den ILC benötigt ein fein segmentiertes Kalorimeter, einen Spurdetektor mit hoher Effizienz und guter Impulsauflösung sowie gute Teilchenidentifikation. Vier verschiedene Detektorstudien versuchen zur Zeit, den Detektor für die Anforderungen des ILC zu optimieren. In drei dieser Detektorkonzepte ist eine Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC) als Hauptspurdetektor vorgesehen. Eine TPC liefert mehrere hundert Punkte pro Spur, was eine hohe Rekonstruktionseffizienz ermöglicht. Mit nur 3% einer Strahlungslänge im Zentralbereich ist die in den Detektor eingebrachte Materialmenge klein im Vergleich zu Siliziumsensoren. Das minimiert die Vielfachstreuung und verbessert die Energiemessung in den Kalorimetern. Außerdem bietet die TPC eine gute Messung des spezifischen Energieverlustes dE/dx, die zur Teilchenidentifikation benutzt wird. Um die angestrebte Ortsauflösung von 100 Mikrometern zu erreichen, werden Mikrostruktur-Gasdetektoren zur Gasverstärkung untersucht. Die Strukturen dieser Detektoren haben eine Größe von einigen hundert Mikrometern, im Gegensatz zu Anodendrähten, die im Abstand von einigen Millimetern gespannt sind. Das verbessert die Genauigkeit der Messung und minimiert ExB-Effekte, woraus sich eine verbesserte Orts- und Doppelspurauflösung ergibt. Außerdem wird die Rückdrift von Ionen in das sensitive Volumen den TPC unterdrückt. Das ist entscheidend, da die bewährte Methode, nach jedem aufgezeichneten Ereignis zu gaten, beim ILC nicht funktioniert. Wegen der Struktur der Teilchenpakete werden die Daten von bis zu 150 Strahlkreuzungen gleichzeitig in der TPC sein. Die beiden diskutierten Mikrostruktur-Detektoren sind Micro-Mesh Gasdetektoren (Micromegas) und Gas Electron Multiplier (GEMs). Diese Arbeit zeigt Auflösungsstudien mit einem TPC-Prototypen, der mit einer Dreifach-GEM-Struktur ausgestattet ist. Ein Hodoskop aus Silizium-Streifen-Sensoren liefert eine präzise Referenzspur, was eine unbeeinflusste Messung der Ortsauflösung ermöglicht. Am DESY-Teststrahl, der Positronen mit einer Energie zwischen 1 GeV und 6 GeV liefert, wurden Messungen mit hoher Statistik durchgeführt. Die unabhängige Messung mit dem Hodoskop erlaubt systematische Studien der Feldhomogenität der TPC. Die ermittelten Feldfluktuationen im Zentralbereich der Kammer sind DeltaE/E = 0.008. Feldverzerrungen wurden gemessen und korrigiert. Die verbleibenden Abweichungen konnten so auf ein Niveau deutlich unter der Ortsauflösung der TPC reduziert werden. Eine wichtige Aufgabe ist es, die Anzahl der Ionen zu reduzieren, die in das sensitive Volumen der TPC zurückdriften. Spezielle Einstellungen der GEM-Spannungen zur Minimierung der Ionenrückdrift wurden in Bezug auf ihren Einfluss auf die Ortsauflösung untersucht. Es wurde keine Beeinträchtigung der Auflösung durch diese speziellen Einstellungen festgestellt. Die TPC wird am ILC in einem hohen Magnetfeld betrieben. Deshalb ist es notwendig zu zeigen, dass die angestrebte Auflösung auch im Magnetfeld erreicht wird. Die Prototyp-TPC wurde in einem 4 T Magnetfeld betrieben, das mit einem supraleitenden Solenoidmagneten am DESY in Hamburg erzeugt wurde. Auch hier wurde die Ortsauflösung der ionenrückdrift-optimierten Einstellung mit derjenigen verglichen, die mit den nicht optimierten Einstellungen erreicht wurde. In beiden Fällen liegt die gemessene Auflösung bei etwa 130 Mikrometern.

The next large collider to be build after the Large Hadron Collider LHC is the electron-positron International Linear Collider ILC. Both collider concepts complement each other. The LHC, reaching centre of mass energies of up to 14 TeV, has a high discovery potential, while the ILC with its well known initial state allows high precision measurements. A detector at the ILC will need a finely segmented calorimeter and a tracking detector with high efficiency and momentum resolution, as well as good particle identification. Currently there are four different concept studies trying to optimise the detector for the requirements at the ILC. In three of these detector concepts a time projection chamber (TPC) is foreseen as the main tracking device. A TPC allows the measurement of several hundred points per track, providing a very good tracking efficiency. With only 3% of a radiation length in the barrel region, the amount of material introduced into the detector is small compared to silicon sensors. This minimises multiple scattering and improves the energy measurement in the calorimeters. The TPC also provides a good measurement of the specific energy loss dE/dx for particle identification. To achieve the intended spatial resolution of 100 micrometres, micro pattern gas detectors (MPGD) are considered for gas amplification. These devices consist of structures with a size of a few hundred micrometres, in contrary to an anode wire readout with a pitch of typically a few millimetres. This improves the granularity of the measurement and minimises ExB effects, resulting in an enhanced spatial and two track resolution. Furthermore the backdrift of ions into the sensitive volume of the TPC is intrinsically suppressed. This is essential, as the established method of gating away the ions after each recorded event will not work at the ILC. Due to the bunch structure there will be data from 150 bunch crossings simultaneously in the TPC. The two different MPGDs discussed for the ILC TPC are Micro-Mesh Gaseous Detectors (Micromegas) and Gas Electron Multiplier foils (GEMs). The current thesis shows resolution studies with a TPC prototype equipped with a triple GEM readout structure. A hodoscope made up of silicon strip sensors gives a precision reference track, allowing an unbiased measurement of the spatial resolution. High statistics measurements have been conducted at the DESY test beam facility, which provides positrons with a tunable energy between 1 GeV and 6 GeV. Using the independent measurement of the hodoscope allows systematic studies of the homogeneity of the TPC's electric field. The fluctuations of the field in the chamber's central region were found to be DeltaE/E = 0.008. Field distortions have been determined and corrected, reducing the remaining deviations to a level well below the spatial resolution of the TPC. One important task is to reduce the number of ions drifting back into the sensitive volume. Special GEM settings with minimised ion backdrift have been examined with respect to their influence on the spatial resolution and it was found that the spatial resolution is not degraded using these special settings. The TPC at the ILC will be operated in high magnetic fields. Thus it is mandatory to show that the anticipated performance can be achieved in magnetic fields. The TPC prototype has been operated in a 4 T magnetic field, provided by a superconducting solenoid located at DESY Hamburg. Again the spatial resolution measured with the ion backdrift optimised settings is compared to that achieved with non-optimised settings. In both cases the measured resolution is approximately 130 micrometres.

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