04.03.2009, DPG-Tagung, U. Renz für die LC-TPC Kollaboration.

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1 04.03.2009, DPG-Tagung, Freiburgrenz@physik.uni-freiburg.de1 U. Renz für die LC-TPC Kollaboration

2 Überblick GEM – eine kurze Beschreibung TimePix, eine moderne Auslese- elektronik Beschreibung des Testaufbaus Orientierungen der GEM und möglicher Einfluss auf die Auflösung Messung mit extrem feinstrukturierten GEMs 2

3 GEM - Gas Elektron Multiplier Typisches Aussehen: 2 Schichten Cu, jede 5µm dick, getrennt durch 50µm Kapton.. Konisch geätzte Löcher, größter Ø70µm. Diagonaler Lochabstand 140µm. 3 F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531 F. Sauli, http://www.cern.ch/GDD Vorteile eines Triple-GEM-Aufbaus Gasverstärkung bis 10 5 in ArCO 2 leicht erreichbar Minimierung der Ionenrückdrift in das Nachweisvolumen ( O (10 -2 )) Abgeschlossen Region der Gasverstärkung Abgeschlossen Region der Gasverstärkung natürlicher Schutz der Ausleseelektronik natürlicher Schutz der Ausleseelektronik

4 TimePix Pixelgröße 55x55µm 2, angeordnet in einer 256x256 Matrix aktiven Fläche 14x14mm 2 Abmessungen der aktiven Fläche: 14x14mm 2 Schwelle 700 e - Verwendung eines abgeglichenen und kalibrierten Chips. Untere Schwelle liegt bei 700 e - 4 - X. Llopart, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 49, NO. 5 X. Llopart et. al, NIM A, Issues 1-2, p. 485-494. 1,4cm Zeitinformation auf jedem Pixel Zeitinformation auf jedem Pixel verfügbar durch einstellbare Taktfrequenz von bis zu 100MHz Zwei der vier vorhandenen Modi werden eingesetzt: TOT Signalzeit über eingestellter Schwelle TOT-Modus TIME Zeitmessung TIME-Modus Modi individuell für jeden Pixel wählbar Modi individuell für jeden Pixel wählbar In Mixed-Mode Betrieb Pixel abwechselnd eingestellt auf TIME oder TOT Modus ( Schachbrettmuster) Ladungs- empfind- licher Eingang

5 DESY Test Beam June 2007 5 e - beam DESY II GEM: 10 * 10 cm 2 TimePix Trigger (Szintill.) & Si-Teleskop Störungsfreier Betrieb des TimePix- GEM-Aufbaus Zwei verschiedene GEM Arten getestet: Standard 100x100mm 2 GEMs mit 140µm Lochabstand 50µm Lochabstand Feinstrukturierte GEMs 24x28mm 2 mit 50µm Lochabstand GEM-Stapel mit TimePix: Gezeigt für feinstrukturierte GEMs 6mm Driftvolumen 1.8mm Abstand für Transfer- und Induktionsregion

6 Typische Ereignisse 6 1.5ns 1.Suche nach zusammenhängenden Gebieten zur Clusterrekonstruktion 2.TOT-Information verwenden um Cluster aufzutrennen ABER Diffusion verschmiert Information über individuelle Primärelektronen. Cluster überlappen einander und verschmelzen scheinbar. ABER Diffusion verschmiert Information über individuelle Primärelektronen. Cluster überlappen einander und verschmelzen scheinbar. Cluster primärer Ionisation Verschmiert durch Diffusion 14mm

7 Rotation der GEM 7 beam alte Anordnung neue Anordnung x z Rotiere GEM um 90° 120µm 70µm Da Struktur von 120µm sichtbar in FFT Danach 70µm projizierter Lochabstand 140µm

8 GEM Struktur 8 Kein Signal Erwartete GEM Struktur hier kleiner um Faktor 70/120 höhere Abtastfrequenz Räumliche Frequenz [1/mm] Abtastfrequenz 0.454mm -1 y = 0mm - 1mm Signal bei (8.39±0.04)mm -1 Räumliche Frequenz [1/mm] FastFourier Transformation Nutze Fast Fourier Transformation (FFT) periodische Struktur bei 1/8.39mm entspricht 119μm, unabhängig von der Abtastrate (Anzahl der Stützstellen der FFT). Keine derartige Struktur für größere Driftlängen als 1mm beobachtet. Diese ist durch transversale Diffusion verschmiert. Nach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindet Nach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindet Amplitude des Signals abhängig von Ausrichtung Chip vs. GEM. neue Anordnung (um 90° gedreht) Amplitude [Anzahl Ereignisse] Periodische Struktur erkennbar mit (119±1)mm mit (119±1)mm alte Anordnung FFT

9 Bestimmung von 0 9 Randpunkte beeinflusst durch (restlichen) Untergrund Si-Teleskop ADC Kanäle mean [pixels] Ursprung in Driftrichtung (y-Achse) Si-Teleskop ADC Kanäle Data for run 111106_016 σ mean - Varianz der Position der Schwerpunkte der Ladungscluster zur Fitgeraden D t – transversale Diffusionskonstante n - Anzahl primärer Elektronen pro Cluster y - Driftlänge σ 0 - bestmögliche Auflösung des jeweiligen Versuchsaufbau σ 0 - bestmögliche Auflösung des jeweiligen Versuchsaufbau el cl

10 Auflösung der Standard GEMs 10 alte GEM-Anordnung mit 120µm projiziertem z-Lochabstand neue GEM-Anordnung mit 70µm projiziertem z-Lochabstand Für rotierte GEM-Anordnung, 0 verbessert um 2µm. Mögliche systematische Fehlerquellen: Position Teleskop relativ zu GEM/TimePix-Aufbau Endlicher Lochabstand der GEMs … Driftlänge y [mm]

11 Daten Simu- lation Gas σ0σ0 D t 2 n el cl σ0σ0 D t 2 n el cl Insel Ar/CO 2 21.7 +/-0.5 519 +/-12 --- -- He/CO 2 25.6 +/-1.0 675 +/-16 --- -- new GEM type Ar/CO 2 15.4 +/-0.4 405 +/10 --- -- Sattel- punkt Ar/CO 2 18.4 +/-2.7 467 +/-36 15.2 +/- 3.8 726 +/-41 He/CO 2 27.1 +/-4.9 547 +/-78 19.4 /-4.0 989 +/-54 Zusammenfassung 11 Cluster- method Stellt Verlässlichkeit der Clustermethode unter Beweis. Für 0 gute Übereinstimmung Experiment und Simulation. D t 2 /n el cl ist in akzeptabler Übereinstimmung.

12 Kleine GEMs 12 Schutzelektrode (auch auf Unterseite) 28x24mm 2 Aktive Fläche 28x24mm 2 Äußerer Solldurchmesser der Löcher im Kupfer 30µm. Innendurchmesser der Löcher im Kapton zwischen 17µm-21µm. Diagonaler Lochabstand 50µmDiagonaler Lochabstand 50µm Projektion in x 43µm Projektion in z 25µm z x

13 Auflösung mit kleine GEMs 13 Mögliche Systematik durch neue GEMs muss ergründet werden. Kleine GEMs verbessern o um 5µm. vorläufig Driftlänge y [mm]

14 Vorläufige Studien des TIME-Modus 14 Gezeigt: Differenz zwischen TIME-Wert am Maximum von TOT eines rekonstruierten Clusters und dem Maximum aller TIME-Werte in der entsprechenden Spur als Funktion der Clustergröße. Ausnutzen der Korrelation von TOT und Time zur Korrektur des Timewalk Ausnutzen der Korrelation von TOT und Time zur Korrektur des Timewalk Ereignisweise: 1) Mittelung aller Time- Werte an Position des TOT-Maximums in rekonstruierten Clustern. 2) Abweichung individueller TIME Werte von diesem Mittelwert histogrammiert. vorläufig nach Korrektur 48MHz clock at TimePix 1 count corresponds to 20ns Time-Abweichung in Einheiten von 10ns Anzahl Ereignisse Clustergröße [Anzahl Pixel] @100MHz Taktfrequenz

15 Messung der Driftgeschwindigkeit 15 Korrektur basiert hier auf Korrelation von Clustergröße und Zeitdispersion Verlässlichkeit der Zeitmessung ist kritisch: 10ns Sekunden Zeitauflösung entsprechen 325µm Ortsauflösung in ArCO 2 10ns Sekunden Zeitauflösung entsprechen 325µm Ortsauflösung in ArCO 2 http://hausch.home.cern.ch/hausch/MediPix.html Entspricht gut der Simulation, siehe M. Hauschild: http://hausch.home.cern.ch/hausch/MediPix.html Driftlänge [mm] TimePix Driftzeit [µs]

16 Nachprozessierung des Chips 16 Vergrößerung der Pixel Herabsetzen der effektiven SchwelleZiel: mehr Ladung pro Pixel sammeln Herabsetzen der effektiven Schwelle Nach tieferem Verständnis der Resultat prozessieren von TimePix(en) davordanach Nachprozessierung auf einem einzelnen Chips 55x55µm 2 110x110µm 2 Fe 55 -Cluster Ru 106 -Spuren Cluster

17 Zusammenfassung und Ausblick 0 kleiner 20µm gemessen und überprüft. Zeitauflösung von weniger als 10ns erreicht. Viel über die systematischen Einflüsse der diskreten GEM-Struktur gelernt. Erfolgreiche Technik zur Nachprozessierung verfügbar gemacht. Messungen mit Lasertestaufbau Vergleich 55x55µm 2, 110x110µm 2 und 220x220µm 2 Pixelgrößen Optimieren der Nachprozessierung 17

18 Backup Slides 18

19 19 Insel-Cluster-Methode Pixel mit höchstem TOT-Wert ist Startpunkt. Benachbarte Pixel mit nächsthöchstem TOT-Wert werden zu diesem hinzufügt. Für jeden verarbeiteten Pixel: überprüfen ob dieser Nachbar zu bereits existierendem Cluster ist. Falls nein, dann neuen Cluster anlegen. Validiert mit einem weiteren Verfahren zur Clusterrekonstruktion basierend auf der Suche nach Sattelpunkten in Projektion des Tracks auf die x-Achse. Verbesserung der ursprünglichen Clusterroutine basierend auf der Suche zusammenhängenden Gebieten. Cluster 1 Cluster 2 Cluster 3

20 Messung der Gasverstärkung mit kleinen GEMs 20 Relativer Vergleich der Verstärkung verwendeter Gase Nota bene: Für einzelne Photoelektronen ist die erreichbare Verstärkung mit einer einzelnen GEM größer als im rauen Umfeld reeller Spuren mit teilweiser hoher primären Ladungsablagerung z.B. durch s. Spannung an HV-Versorgung [V] Arbeitsbereich der Standard-GEMs

21 Entladungen 21 F. Sauli, http://www.cern.ch/GDD Aufgezeichnete Entladungen. TimePix und GEMs überlebten… Bei gegebener Verstärkung Wahrscheinlichkeit für Entladungen in Multi-GEM-Konfiguration viel geringer als für einzelne GEM. Bei 6 × 10 4 -facher Verstärkung Wahr- scheinlichkeit für Entladung in Tripple-GEM- Aufbau 2 × 10 -5 in Bei 6 × 10 4 -facher Verstärkung Wahr- scheinlichkeit für Entladung in Tripple-GEM- Aufbau 2 × 10 -5 in

22 Mögliche Anwendung: TPC 22 1.Geladenes Teilchen ionisiert Kammergas 2.Primärladung driftet entlang des E-Feldes zu den Endplatten 3.Zu E paralleles Magnetfeld reduziert transversale Diffusion und ermöglicht Messung des Teilchenimpulses 4.Proportionale Vervielfachung der Primärladung 5.Auslese des Signals Time Projection Chamber (TPC)

23 GEM –Erfahrungen in der Handhabung Daten mit feinstrukturierten GEMs aufgezeichnet. Größtmögliche Verstärkung vergleichbar für alle GEM- und Gasarten In allen Tests Gasverstärkung limitiert durch große und fluktuierende Ströme auf der letzten GEM ( 400nA). Hohe Ladungsdichte an der letzten GEM verursacht Entladung. Vergleichbar mit Entladung verursacht durch hohe Ionisierungsdichte z.B. durch Alphateilchen. Nota bene: für einzelne Elektronen signifikant höhere Gasverstärkung pro GEM erreichbar. Diskrete Natur der GEMs in Daten sichtbar Rotation der GEMs 23

24 Einstellungen des TimePix 100MHz Taktfrequenz 100MHz Taktfrequenz für aktuelle Messungen verwendet. Keine Auslesefehler für typische Ereignisse beobachtet. 100µs Shutterlänge (Großteil der Daten) 10µs Shutterlänge (kleineres Kontrollsample zur Überprüfung der Stabilität der Shutterlänge) Sorgfältige Abgleichung Sorgfältige Abgleichung der Chipschwelle über alle Pixel 24

25 Gases under investigation Standard mixtures Ar/CO 2 and He/CO 2 (70/30) Ar/CH 4 /CO 2 (93/5/2) (TDR-gas), high gain and fast drift velocity. But large transverse diffusion. He/CO 2 /C 4 H 10 (68/30/2) and He/Ar/CO2 (10/60/30). Expected larger gain due to the Penning-effect and small transverse diffusion due to high fraction of CO 2. 25

26 GEM-Struktur (alt) 26 Keine derartige Struktur für größere Driftlängen als 1mm beobachtet, verschmiert durch transversale Diffusion. Rotiere die erste GEM Keine Struktur beobachtet für Projektion senkrecht zum Strahl (Lochabstand hier 70μm) ! Rotiere die erste GEM Projektion entlang Spur (x-Projektion) für Spuren zwischen 0mm-1mm Driftlänge nahe oberster GEM Fourier Transformation Nutze Fourier Transformation – periodische Struktur bei 1/8.39mm entspricht 119μm, unabhängig von der Abtastrate (Anzahl der Stützstellen der FFT). FFT Abtastfrequenz 0.454mm -1 Signal bei (8.39±0.04)mm -1 y = 0mm – 1mm Räumliche Frequenz [1/mm]

27 Neue Rahmen für kleine GEMs 27 124mm 35mm Öffnung für den Chip 35x34mm 2 Sicherheits- abstand zur aktiven GEM- Fläche Separate Zuleitung an obere, aktive Fläche der GEM zur Strommessung. Unterseite ist durch Vias verbunden. Beidseitige Kupferelektroden gewährleisten Homogenität der Drift-, Transfer- und Induktionsfelder

28 GEM Struktur (neu) Nach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindet 28 FFT Kein Signal Erwartete GEM Struktur nun kleiner um Faktor 70/120 höhere Abtastfrequenz Räumliche Frequenz [1/mm] durch

29 Bereinigen des Untergrundes 29 Entferne Doppelspuren auf TimePix mit Hilfe Projektion entlang Spur (z)-Achse oder doppelten Treffern auf Siliziumteleskop. Hauptursache für Untergrund. nach 6mm Si-Teleskop ADC Kanäle Bereinigen des Untergrunds TimePix number of pixel TimePix Anzahl Pixel Daten aus Messung 220607_007 Säuberung falsch zugeordneter Spuren TimePix Teleskop durch Ausnutzen der xx-Korrelation. Säuberung falsch zugeordneter Spuren TimePix Teleskop durch Ausnutzen der xx-Korrelation. Informationen aus Time-Modus noch nicht ausgenutzt Si-Teleskop ADC Kanäle vor Position der Driftkathode

30 DESY Test Beam June 2007 30 e - beam DESY II GEM: 10 * 10 cm 2 TimePix Trigger (Szintill.) & Si-Teleskop Several mixtures studied: Ar/CO 2 (70:30) He/CO 2 (70:30) He/CO 2 /C 4 H 10 (68:30:2) Ar/He/CO 2 (60:10:30) TDR Störungsfreier Betrieb des TimePix- GEM-Aufbaus Zwei verschiedene GEM Arten getestet: Standard 100x100mm 2 GEMs mit 140µm Lochabstand 50µm Lochabstand Feinstrukturierte GEMs 24x28mm 2 mit 50µm Lochabstand

31 Schematischer Überblick 340mm Si-Teleskop Si-Teleskop GEM-Stapel mit TimePix Strahl 6mm Driftvolumen 1.8mm Abstand für die beiden Transfer- und die Induktionsregion y z x Trippel GEM-Anordnung gezeigt für feinstrukturierte GEMs Alle GEMs mit Strommessgeräten überwacht

32 Mit kleinen GEMs aufgezeichnete Spuren 32 Verstärkung mit feinstrukturierten GEMs bei V GEM 346V vergleichbar mit V GEM 403V der Standard-GEMs. Ar/CO 2

33 New Trigger Scheme 33 Latch improves synchronization of telescope and GEM/TimePix setup to almost 100% Many thanks to Bonn!

34 Resolution of small pitched GEMs 34 Ar/CO 2 Estimated for the integrated drift volume of 6mm Measured with 5GeV e - Compare to mean 50µm with standard GEMs

35 Tracks recorded with small pitched GEMs 35 Ar/CO 2

36 36 TOT [clock counts] Time [clock counts]

37 Bar Führer Freiburg Montag: Kein Plan, kämpf ich als immer noch mit den Nachwehen von Samstag Dienstag: DPG-Empfang (günstiger gehts nicht) Mittwoch: Irish Pubs Isle of Innisfree Donnerstag: Qowaz 1 Party Bacio inT.- Neustadt Freitag:Abreisetag? Sonst guter Starpunkt Baltinos o. KGB Samstag: Absturz im Tacheles 37