GEM – Ein neuartiger Gas Detektor

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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 ( 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) ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas F. Sauli: NIM A386 (1997) 531

4 GEM - Technologie Gas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie ( 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) ÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas F. Sauli: NIM A386 (1997) 531

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. Min Sensitiv für einzelne Photoelektronen Max Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Cherenkov Kegel Cherenkov Winkel Cherenkov Ring Auflösung 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. Min Sensitiv für einzelne Photoelektronen Max Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit) Cherenkov Kegel Cherenkov Winkel Cherenkov Ring Auflösung 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: 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 520 mm Streifenabstand,
Hexagonale Plättchen mit den Auslesestreifen der jeweiligen Projektionen leitend verbunden. Mapping der drei Projektionen. 520 mm 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: ~ 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 Ein-Photonen Ereignis
Ladungsverteilungen Ein-Photonen Ereignis Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

18 Ladungsschwerpunkt (COG) Clusterbreite (rms)
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 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 Geeignet für schnelle RICH Anwendungen !
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 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

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

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

25 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

26 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

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28 Intensitätsreduktion

29 Energieauflösung