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GEM – Ein neuartiger Gas Detektor

GEM – Ein neuartiger Gas Detektor. Thomas Meinschad 1 , L. Ropelewski 1 , F. Sauli 1 , L. Musa 1. Ö PG, KTP, 28. September 2005. 1 CERN, 1211 Genf, Schweiz. Inhalt. GEM (Gas Elektron Vervielfacher) – Technologie (Funktion, Vorteile, Anwendungen)

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GEM – Ein neuartiger Gas Detektor

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Presentation Transcript

  1. GEM –Ein neuartiger Gas Detektor Thomas Meinschad1, L. Ropelewski1, F. Sauli1, L. Musa1 ÖPG, KTP, 28. September 2005 1 CERN, 1211 Genf, Schweiz

  2. 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

  3. GEM - Technologie Gas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler. Gas • Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel G ecollection=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 (~40m) F. Sauli: NIM A386 (1997) 531 ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

  4. GEM - Technologie Gas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler. 5 mm Cu 50 mm Kapton Gas • Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel G ecollection=I-out/I-in • Ionen-Feedback: F=I+drift/I-out • Schnelles Elektronensignal (20ns FWHM) • Automatische Ionen- u. Elektronentrennung Standard GEM doppelt konisch (140/70/55): Feldstärke im GEM Kanal: ~70kV/cm • Positionsbestimmung durch Interpolation des auf der segmentierten Anode induzierten Signals (~40m) F. Sauli: NIM A386 (1997) 531 ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

  5. GEM - Technologie Durch Kaskadierung erreicht man höhere Gasverstärkungsfaktoren bei gleichzeitiger Reduktion der Entladungswahrscheinlichkeit. Triple GEM-Detektor mit Notation der elektrischen Felder Effektive Gasverstärkung M für diverse GEM-Kaskaden Andere Verstärkungsmodule ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

  6. 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 ~ 40m 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

  7. Anwendungen Tritonspuren in 3He: Szintillationslicht erzeugt in den GEM-Löchern aufgenommen von einer CCD Kamera (Coimbra Universität) Geschlossener Gas-Photomultiplier (Weizmann Institut) Radiographie TPC - Endcap ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

  8. Photodetektion (RICH) 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 bSchwelle= 1/n (C~0°) passiert. Sensitiv für einzelne Photoelektronen Min Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Max Cherenkov Kegel Cherenkov Ring Auflösung Cherenkov Winkel 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

  9. Photodetektion (RICH) 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 bSchwelle= 1/n (C~0°) passiert. Sensitiv für einzelne Photoelektronen Min Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Max Cherenkov Kegel Cherenkov Ring Auflösung Cherenkov Winkel 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 Lange Driftzeiten, Komplizierte Handhabung Reines Gas (1ppm), niedriger Dampfdruck (Heizung) Kostenintensiv bei großen Flächen Beschränkte Anwendbarkeit in Magnetfeldern Niedrige Ortsauflösung (~mm) Aktive Fläche ~80% Quantenausbeute: 35%@7.5eV Sensitiv für einzelne Photonen Eindeutige Unterscheidung der Photonenereignisse, ABER ... ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

  10. 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 MWPC Gas-Photodetektor Zweideutiges Zwei-Photonenereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  11. GEM - Lösung 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 • 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 MWPC Gas-Photodetektor Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  12. Hexaboard Hexagonale Plättchen mit den Auslesestreifen der jeweiligen Projektionen leitend verbunden. Mapping der drei Projektionen. 520mm Streifenabstand, 600 mm Plättchenabstand am selben Streifen Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  13. Prototyp Photodetektor • 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) Frontansicht des GEM-Photodetektors Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifen zu identifizieren. Streifenabstand: 1000m Hexaboard Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  14. Prototyp Photodetektor • 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) Detektor (innen) Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifen zu identifizieren. Streifenabstand: 1000m Hexaboard Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  15. FEC/ALTRO Ladungssensitiver Vorverstärker basierend auf HARP Chip Gain: 4,5 mV/fC, FWHM: 200 ns Koaxiale Kabel transportieren die verstärkten analogen Signale zum 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

  16. Ein-Photonen Spektrum • H2-Entladungslampe  trigger • Füllgas: Methan (CH4) • Inv. Driftfeld, Minimalisierung direkter Ionisierung • Gasverstärkung: ~ 7.5 105 • 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 Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  17. Ladungsverteilungen • Ein-Photonen Ereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  18. Ladungsverteilungen Ladungsschwerpunkt (COG) Clusterbreite (rms) • Ein-Photonen Ereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  19. Rekonstruktion Ladungskorrelation Rekonstruktion der Photonenereignisse Clusterbreite (in 520 m) Ladungsteilung: ~1 Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  20. Schlussfolgerungen • Sensitiv für einzelne Photonen • Exzellente Viel-Photonen Auflösung • Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 mm rms • Gasdetektor arbeitet mit CH4 • Vollständige Photon Feedback Unterdrückung • Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm2) • Geringere Schädigung der CsI-Schicht Viel-Photonen Ereignis NIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. Sauli Photon Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  21. Schlussfolgerungen Geeignet für schnelle RICH Anwendungen ! • Sensitiv für einzelne Photonen • Exzellente Viel-Photonen Auflösung • Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 mm rms • Gasdetektor arbeitet mit CH4 • Vollständige Photon Feedback Unterdrückung • Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm2) • Geringere Schädigung der CsI-Schicht Viel-Photonen Ereignis NIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. Sauli Photon Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  22. QUAD-GEM Struktur 521V top 3.15 kV/cm Resistor chain Quad – GEM structure (2/2/2/2)

  23. Spezielles Zwei-Photonen Ereignis Ladungskorrelation Rigorosum 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  24. Ladungskorrelation • 2D Histogramm • X-Achse: Summe der Ladung in U • Y-axis: Summe der Ladung in V • Pro Ereignis Summe 30 % double 4.5kV / CH4 / s.ph.mode Rigorosum 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

  25. 1-Photonenortsauflösung Prinzip der Messung Korrelation zwischen Quelle und Ladungsschwerpunkt 200 mm Parallel-Streifen-Auslese (200 m Streifenabstand) 160 mm FWHM Source width: 100 mm ~120 mm Genauigkeit (FWHM) ~ 55 mm rms Ladungsschwerpunktsverteilungen

  26. Intensitätsreduktion

  27. Energieauflösung

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