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GEM – Ein neuartiger Gas Detektor Thomas Meinschad 1, L. Ropelewski 1, F. Sauli 1, L. Musa 1 1 CERN, 1211 Genf, Schweiz ÖPG, KTP, 28. September 2005.

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1 GEM – Ein neuartiger Gas Detektor Thomas Meinschad 1, L. Ropelewski 1, F. Sauli 1, L. Musa 1 1 CERN, 1211 Genf, Schweiz ÖPG, KTP, 28. September 2005

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 ( Löcher/mm 2 ): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler. Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= t el 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 (~40 m) Gas ÖPG Vortrag, 28. September 2005, Meinschad Thomas

4 GEM - Technologie Gas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie ( Löcher/mm 2 ): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler. Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= t el 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 (~40 m) 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

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

6 GEM Vorteile Hohe Raten (>10 6 Hz mm -2 ) durch schnelle Elektronensammlung Kaskadierung erlaubt hohe Gasverstärkungsfaktoren (~10 6 triple GEM) bei reduzierter Entladungswahrscheinlichkeit Schnelles (reines) Elektronensignal (FWHM ~9.7 ns ArCO 2 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~1mm 3 ), 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 TPC - Endcap Tritonspuren in 3 He: Szintillationslicht erzeugt in den GEM-Löchern aufgenommen von einer CCD Kamera (Coimbra Universität) Radiographie Geschlossener Gas-Photomultiplier (Weizmann Institut) ÖPG Vortrag, 28. September 2005, Meinschad Thomas

8 Photodetektion (RICH) Photodetektion an großen Flächen (state of the art) 1. Vieldrahtkammer: mit UV transparentem Zählgas (CH 4, CF 4 ) und photosensitiven Gasen (TMAE: 5,4eV / TAE: 7,5eV) 2. Vieldrahtkammern mit CsI-Schicht auf Kathode (E i =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 Min Max Sensitiv für einzelne Photoelektronen Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Cherenkov Ring Auflösung Cherenkov Winkel

9 Photodetektion (RICH) Kostenintensiv bei großen Flächen Beschränkte Anwendbarkeit in Magnetfeldern Niedrige Ortsauflösung (~mm) Aktive Fläche ~80% Lange Driftzeiten, Komplizierte Handhabung Reines Gas (1ppm), niedriger Dampfdruck (Heizung) Quantenausbeute: Sensitiv für einzelne Photonen Eindeutige 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 Min Max Sensitiv für einzelne Photoelektronen Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Cherenkov Ring Auflösung Cherenkov Winkel Photodetektion an großen Flächen (state of the art) 1. Vieldrahtkammer: mit UV transparentem Zählgas (CH 4, CF 4 ) und photosensitiven Gasen (TMAE: 5,4eV / TAE: 7,5eV) 2. Vieldrahtkammern mit CsI-Schicht auf Kathode (E i =6eV) 3. Arrays aus PMTs, HPDs

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

11 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

12 Hexaboard 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

13 Prototyp Photodetektor Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifen zu identifizieren. Streifenabstand: 1000 m Frontansicht des GEM-Photodetektors UV transparentes Quartzfenster(~7,5eV) CsI-Schicht auf erstem GEM (Au, Standard) Schwelle: ~6,2eV Zählgas: CH 4 (UV Transparenz, geringer Elektronenrückstoß ) Multi-GEM Verstärkung Pad-Auslese (Hexaboard) Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas Hexaboard

14 Prototyp Photodetektor Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifen zu identifizieren. Streifenabstand: 1000 m Detektor (innen) UV transparentes Quartzfenster(~7,5eV) CsI-Schicht auf erstem GEM (Au, Standard) Schwelle: ~6,2eV Zählgas: CH 4 (UV Transparenz, geringer Elektronenrückstoß ) Multi-GEM Verstärkung Pad-Auslese (Hexaboard) Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas Hexaboard

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 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 H 2 -Entladungslampe trigger Füllgas: Methan (CH 4 ) Inv. Driftfeld, Minimalisierung direkter Ionisierung Gasverstärkung: ~ Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

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

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

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

20 Schlussfolgerungen Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m rms Gasdetektor arbeitet mit CH 4 Vollständige Photon Feedback Unterdrückung Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm 2 ) Geringere Schädigung der CsI-Schicht Viel-Photonen Ereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas 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

21 Schlussfolgerungen Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m rms Gasdetektor arbeitet mit CH 4 Vollständige Photon Feedback Unterdrückung Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm 2 ) Geringere Schädigung der CsI-Schicht Geeignet für schnelle RICH Anwendungen ! Viel-Photonen Ereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas 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

22

23 QUAD-GEM Struktur Resistor chainQuad – GEM structure (2/2/2/2) 521V top 3.15 kV/cm

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

25 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

26 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

27

28 Intensitätsreduktion

29 Energieauflösung


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