gem – ein neuartiger gas detektor thomas meinschad 1, l. ropelewski 1, f. sauli 1, l. musa 1 1...
Post on 05-Apr-2015
107 Views
Preview:
TRANSCRIPT
GEM –Ein neuartiger Gas Detektor
Thomas Meinschad1, L. Ropelewski1, F. Sauli1, L. Musa1
1 CERN, 1211 Genf, Schweiz
ÖPG, KTP, 28. September 2005
Inhalt
GEM (Gas Elektron Vervielfacher) – Technologie (Funktion, Vorteile, Anwendungen)
Probleme von RICH-Detektoren (Photodetektoren) Elegante Lösung: GEM-Photokathode Zusammenfassung
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
GEM - TechnologieGas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler.
Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel G collection=I-
out/I-in
Ionen-Feedback: F=I+drift/I-
out
Schnelles Elektronensignal (20ns FWHM) Automatische Ionen- u. Elektronentrennung
F. Sauli: NIM A386 (1997) 531
Positionsbestimmung durch Interpolation des auf der segmentierten Anode induzierten Signals (~40m)
Gas
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
GEM - TechnologieGas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler.
Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel G collection=I-
out/I-in
Ionen-Feedback: F=I+drift/I-
out
Schnelles Elektronensignal (20ns FWHM) Automatische Ionen- u. Elektronentrennung Positionsbestimmung durch Interpolation des auf der segmentierten Anode induzierten Signals (~40m)
Gas
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
Standard GEM doppelt konisch (140/70/55): Feldstärke im GEM Kanal: ~70kV/cm
5 m Cu
50 m Kapton
F. Sauli: NIM A386 (1997) 531
GEM - Technologie
Effektive Gasverstärkung M für diverse GEM-Kaskaden
Durch Kaskadierung erreicht man höhere Gasverstärkungsfaktoren bei gleichzeitiger Reduktion der Entladungswahrscheinlichkeit.
Triple GEM-Detektor mit Notationder elektrischen Felder
Andere VerstärkungsmoduleÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
GEM Vorteile
Hohe Raten (>106 Hz mm-2) durch schnelle Elektronensammlung Kaskadierung erlaubt hohe Gasverstärkungsfaktoren
(~106 triple GEM) bei reduzierter Entladungswahrscheinlichkeit Schnelles (reines) Elektronensignal (FWHM ~9.7 ns ArCO2 70/30) Verstärkung & Auslese an verschiedenen Elektroden (Schutz der Elektronik) Geometrische Form des Ausleseboards und der GEMs je nach experimentellen Anforderungen frei wählbar (z. B.: Anodenplättchen, Streifen) Reduziertes Ionen- und Photonen Feedback Viel-Spurenauflösung (V~1mm3), Ortsauflösung ~ 40m rms Non-Aging Device (nach 10 Jahren F&D) Anwendungen: Upgrades für Vieldrahtkammern (MWPC)
Photodetektor, Spurendetektor (COMPASS, TOTEM, HERA-B, LHCb), TPC-Auslese (MICE), Radiographie, Strahlmonitore, …
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
Anwendungen
TPC - Endcap
Tritonspuren in 3He:Szintillationslicht erzeugt in den GEM-Löchern aufgenommenvon einer CCD Kamera(Coimbra Universität)
Radiographie
Geschlossener Gas-Photomultiplier(Weizmann Institut)
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
Photodetektion (RICH)
Photodetektion an großen Flächen (state of the art) 1. Vieldrahtkammer: mit UV transparentem Zählgas (CH4, CF4) und
photosensitiven Gasen (TMAE: 5,4eV / TAE: 7,5eV) 2. Vieldrahtkammern mit CsI-Schicht auf Kathode (Ei=6eV) 3. Arrays aus PMTs, HPDs
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
Ist die GEM-Technologie geeignet für RICH Anwendungen ?
Teilchenidentifikation basierend auf dem Cherenkov Effekt: Cherenkov Photonen werden emittiert, wenn ein geladenes Teilchen ein dielektrisches Medium (Radiator) mit einer Geschwindigkeit Schwelle= 1/n (C~0°) passiert.
Cherenkov Kegel
..
..
..
ep
epRing
epN Min
Max
n
1cos Sensitiv für einzelne Photoelektronen
Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit)
Cherenkov Ring AuflösungCherenkov Winkel
Photodetektion (RICH)
Kostenintensiv bei großen FlächenBeschränkte Anwendbarkeit in MagnetfeldernNiedrige Ortsauflösung (~mm)Aktive Fläche ~80%
Lange Driftzeiten, Komplizierte HandhabungReines Gas (1ppm), niedriger Dampfdruck (Heizung)
Quantenausbeute: 35%@7.5eVSensitiv für einzelne PhotonenEindeutige Unterscheidung der Photonenereignisse, ABER ...
ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas
Ist die GEM-Technologie geeignet für RICH Anwendungen ?
Teilchenidentifikation basierend auf dem Cherenkov Effekt: Cherenkov Photonen werden emittiert, wenn ein geladenes Teilchen ein dielektrisches Medium (Radiator) mit einer Geschwindigkeit Schwelle= 1/n (C~0°) passiert.
Cherenkov Kegel
..
..
..
ep
epRing
epN Min
Max
Sensitiv für einzelne Photoelektronen
Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit)
Cherenkov Ring AuflösungCherenkov Winkel
n
1cos
Photodetektion an großen Flächen (state of the art) 1. Vieldrahtkammer: mit UV transparentem Zählgas (CH4, CF4) und
photosensitiven Gasen (TMAE: 5,4eV / TAE: 7,5eV) 2. Vieldrahtkammern mit CsI-Schicht auf Kathode (Ei=6eV) 3. Arrays aus PMTs, HPDs
Probleme (MWPC)
Cherenkov Detektoren (RICH):
Vieldrahtkammer (MWPC) ist nicht Hochratenfähig Photon Feedback (Rekonstruktion, mehr Ladung) Schädigung der CsI-Schicht durch Ionenlawine Im Fall von Kathodenstreifenauslese: „Ghosts“, Zweideutigkeiten bei der Rekonstruktion
Reduktion der Gasverstärkung bei hohen Raten
Zweideutiges Zwei-PhotonenereignisMWPC Gas-Photodetektor
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Cherenkov Detektoren (RICH):
GEM-Photodetektor (reflektiv) Kein Photon Feedback Schädigung der CsI-Schicht reduziert durch geringeres Ionen Feedback Neues Ausleseboard: HEXABOARD Reduktion der Kanäle bei besserer Ortsauflösung kostengünstiger
GEM - Lösung
MWPC Gas-Photodetektor
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Vieldrahtkammer (MWPC) ist nicht Hochratenfähig Photon Feedback (Rekonstruktion, mehr Ladung) Schädigung der CsI-Schicht durch Ionenlawine Im Fall von Kathodenstreifenauslese: „Ghosts“, Zweideutigkeiten bei der Rekonstruktion
Hexaboard
1 51 41 31 2111 09876543210
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
1514131211109876543210
v u
w
520 m Streifenabstand, 600 m Plättchenabstand am selben Streifen
Hexagonale Plättchen mit den Auslesestreifen der jeweiligen Projektionen leitend verbunden.
Mapping der drei Projektionen.
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Prototyp Photodetektor
Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifenzu identifizieren. Streifenabstand: 1000m
Frontansicht des GEM-Photodetektors
UV transparentes Quartzfenster(~7,5eV) CsI-Schicht auf erstem GEM (Au, Standard) Schwelle: ~6,2eV Zählgas: CH4 (UV Transparenz, geringer Elektronenrückstoß )
Multi-GEM Verstärkung Pad-Auslese (Hexaboard)
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasHexaboard
Prototyp Photodetektor
Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifenzu identifizieren. Streifenabstand: 1000m
Detektor (innen)
UV transparentes Quartzfenster(~7,5eV) CsI-Schicht auf erstem GEM (Au, Standard) Schwelle: ~6,2eV Zählgas: CH4 (UV Transparenz, geringer Elektronenrückstoß )
Multi-GEM Verstärkung Pad-Auslese (Hexaboard)
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasHexaboard
FEC/ALTRO
Ladungssensitiver Vorverstärkerbasierend auf HARP ChipGain: 4,5 mV/fC, FWHM: 200 ns
Koaxiale Kabel transportierendie verstärkten analogen Signalezum ALTRO-Board ALTRO-Chip
16 Kanal A/D Konverter (10-bit dyn. Bereich / 40 MHz max. Taktfrequenz) verbunden mit einem digitalen Prozessor …
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Ein-Photonen Spektrum
Durch eine Abschwächung des Photonenstrahls wird ein Übergang von der Vielphotonendetektion zur Ein-Photonendetektion erreicht
Pulshöhenspektren von einzelnen Photoelektronen folgen einer Exponentialfunktion
Bei verschiedenen Intensitäten zeigen die Histogramme dieselbe negative Steigung nur Photonenerereignisse
H2-Entladungslampe trigger
Füllgas: Methan (CH4)
Inv. Driftfeld, Minimalisierung direkter Ionisierung
Gasverstärkung: ~ 7.5 105
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Ein-Photonen Ereignis
Ladungsverteilungen
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Ein-Photonen Ereignis
Ladungsverteilungen
Ladungsschwerpunkt (COG)
Clusterbreite (rms)
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Rekonstruktion
Clusterbreite (in 520 m)
Rekonstruktion der Photonenereignisse
Ladungskorrelation
Ladungsteilung: ~1 Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Schlussfolgerungen
Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m rms Gasdetektor arbeitet mit CH4 Vollständige Photon Feedback Unterdrückung Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm2) Geringere Schädigung der CsI-Schicht
Viel-Photonen Ereignis
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasNIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. SauliPhoton Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press
Schlussfolgerungen
Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m rms Gasdetektor arbeitet mit CH4 Vollständige Photon Feedback Unterdrückung Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm2) Geringere Schädigung der CsI-Schicht
Geeignet für schnelle RICH Anwendungen !
Viel-Photonen Ereignis
Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasNIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. SauliPhoton Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press
QUAD-GEM Struktur
2 m m
q u a rtz w in d o wm esh (9 0 % )G E M 1 &3 0 0 n m C sI
G E M 2
G E M 3
G E M 4
H ex ab o ard
R D O ch an n e ls
d rif t f ie ld
tran sfe r f ie ld 1
tran sfe r f ie ld 2
tran sfe r f ie ld 3
in d u c tio n f ie ld
d rift
G E M s
to p
b o tto m
to p
b o tto m
to p
b o tto m
to p
b o tto m
- H V
Resistor chain Quad – GEM structure (2/2/2/2)
521V top3.15 kV/cm
Ladungskorrelation
Spezielles
Zwei-Photonen Ereignis
Rigorosum 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
Ladungskorrelation
Summe
4.5kV / CH4 / s.ph.mode
2D Histogramm X-Achse: Summe der Ladung in U Y-axis: Summe der Ladung in V Pro Ereignis
30 % double
Rigorosum 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas
1-Photonenortsauflösung
Prinzip der Messung
Parallel-Streifen-Auslese (200 m Streifenabstand)
Korrelation zwischen Quelle und Ladungsschwerpunkt
Ladungsschwerpunktsverteilungen
200 m
160 m FWHM
Source width: 100 m
~120 m Genauigkeit (FWHM)~ 55 m rms
Intensitätsreduktion
Energieauflösung
top related