Magnetfeldstudien zu Zeit-Projektions-kammern mit GEM-Technologie
im Rahmen des ILC-Projektes
Bernhard Ledermann
Institut für Experimentelle Kernphysik, Universität Karlsruhe (TH)
Herbstschule für HEP6.- 16. Sept. 2005Maria Laach
Überblick:
- Das ILC-Projekt und der ILC-Detektor- Prinzip von Zeit-Projektionskammern (TPCs)- Prinzip der GEM-Folien- Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp- Die Rekonstruktions- und Analysesoftware TPCRAT
- Ergebnisse der Messungen am CERN- Problematik im Magnetfeld: Schmale Spuren- Ergebnisse der Magnetfeldmessungen- Studien zu verschiedenen Pad-Strukturen- Zusammenfassung und Ausblick
- Messungen mit dem Prototypen
Das ILC-Projekt: Der International Linear Collider
Gesamtlänge: 33 km
Luminosität: 3,4 * 10 cm sStrahlstruktur:
# Trains pro sec: 5# Bunches pro Train: 2820
Bunch-Größe am Interaktionspunkt:x / y / z: 553 nm / 5 nm / 300 µm
34 -2 -1
Kollidiert Elektronen und Positronen
Schwerpunktsenergie: 500-800 GeV
Zeit zwischen 2 Bunches: 337 ns
Ziel: Präzisionsmessungen zu neuer Physik nach der Entdeckungsmaschine LHC
International Technology Recommendation Panel (ITRP): “... we recommend thatthe linear collider will be based on superconducting technology. … This technologyhas features, that the Panel considered attractive and will facilitate the future design…”
=> TESLA-Design
~33km
FEL-Labor
~20m
Tunnel
SupraleitenderPositronen-Linac
SupraleitenderElektronen-Linac
Damping-Ring
KryogenischeHallen
Experimentierhallenund Detektor fürTeilchenphysik
Anforderungen an den Detektor des zukünftigenLinearbeschleunigers ILC
Physikalische Anforderungen an den SpurdetektorImpulsauflösung p /p < 2·10 /GeV
Viel-Spur-Auflösung: 2.3 mm in r- , 10 mm in z
Präzise dE/dX-Messung: /E < 5 %
Minimaler Materialeinsatz
�
�
�
t t
E
2 -4
Mögliche Wahl (nach TESLA-TDR):Zeit-Projektions-Kammer
Sensitives Volumen von 2x 2.50m Länge,1.62 m äußerem und 0.32 m innerem Radius.
; Driftfeld: 230 V/cmGas: Ar:CO :CH – 93:2:5
Erwartete Ortsauflösung :
(für d=0.1m); (für d=2.0m)Gasverstärkungsstufe: GEMs
2 4
r-� �
Magnetfeld: 4T
70 m 190 m� �innerer Feldkäfig
Endplatte
FCH
ECALTPC-Versorgung
Kabel
ECAL
Elektronik
zentrale Membran
äußerer Feldkäfig
Das Prinzip einer Zeit-Projektionskammer
Vorteile:
Nachteile:
- gute Ortsauflösung (~100 µm)-- gute dE/dx - Auflösung (~5%)- echter 3D-Detektor(keine Zweideutigkeiten)
- hohe Granularität (10 Voxels)-- Homogenität (nur Gas)- Vergleichsweise billig
-- Rückdriftende Ionen aus dem
Gasverstärkungsbereich- Ortsauflösung limitiert durch
Diffusion
9
hohe Zahl an Spurpunkten (~200)
geringe Materialdichte
lange Clearing-Zeiten (40µs)
Driftvolumen
Elektron-Ion-Paar
Driftweg
GEMs undPad-Struktur
Diffusion
Auslese-Elektronik Gas (z.B
Argon-Methan)
Prinzip der GEM-Verstärkung
Gas-Electron-Multiplier (GEM-Folien):
+ 50µm dicke, beidseitig mit 5µm Kupfer beschichtete Kapton-Folie+ Hohe Dichte an photolithographisch geätzten Löchern (typischerweise:
p=140µm, D=70µm, d=60µm)+ Hohe Spannung zwischen Ober- und Unterseite der GEM (~400V)+ Feldlinien werden in den GEM-Löchern stark verdichtet
Proportionale Gasverstärkung
Ionen
Kapton
Electronen
Kupfer
Kapton
Kupfer
Kupfer
Kupfer
6
1
2
3
4
5
3
4
5
140 µm
70 µm
Prinzip der GEM-basierten Auslese vonZeit-Projektions-Kammern
Aufbau der Zeit-Projektions-Kammer:
Vorteile:
+ GEMs zur Gasverstärkung in 2 oder mehr Stufen(um Entladungen zu vermeiden)
+ Pad-Auslesestruktur (evtl. auch Si-Pixel-Sensoren)zur Sammlung des e Signals
+ Gating-Drähte nur falls nötig
+ Flexibilität bei der Wahl der GEM-Geometrie+ Stabilität des Systems auch bei hohen Teilchenraten+ Hohe Granularität durch schmale, schnelle Signale+ Effizient schon bei geringen Gasverstärkungen+ Geringe Spurverzerrungen durch ExB-Effekte+ Intrinsische Unterdrückung des Ionenrückflusses
--Gating-Drähte (falls nötig)
GEM
GEM
2m
m2
mm
Pad-Auslesestruktur
e-
Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp
Driftzylinder:
Endkappen:
Auslese-Elektronik:
Trägerstrukturen für Messungen:
+ Innerer Durchmesser d=20cm, Länge l=25cm+ Doppelter Feldkäfig (Feldhomogenität)
+ Detektor kann mit verschiedenen MPGD-Typenund Auslesestrukturen versehen werden
+ Rauscharme hochintegrierte Front-End-Elektronik
+ Großzügige Trägerstruktur für Teilchenstrahl am CERNund Cosmics-Messungen in Karlsruhe
+ Zylinderförmige, kompakte Trägerstruktur fürMessungen im 5T-Magnet am DESY
+ Flache, kompakte Trägerstruktur für Messungen amTeilchenstrahl mit 1T-Magnetfeld am DESY
Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp
Momentane Gasverstärkungsstufe:
Momentane Auslesestrukturen:
+ Doppel-GEM-Struktur (Standard GEMs)+ 2mm Abstand (E =2.5kV/cm, E =3.5kV/cm)
+ 10x10cm aktive Fläche
+ 256 Pads (32 Spalten, 8 Reihen);Padgröße: 1.27*12.5 mm²; Normale Pads
+ 320 Pads (30 Spalten, 12 Reihen);Padgröße: 2.0*6.0 mm²; Normale Pads,
Chevrons, Rauten
T I
2
Staggered Pads, 3und1, Combs,
Messungen (Karlsruhe, CERN, DESY)
beamline
Karlsruhe: Cosmics-> Erste Tests, große Diffusion
CERN Proton-Synchrotron,Pionen, definierter Strahl-> Ortsauflösung, große
Diffusion
DESY 5,5T-Magnet,Cosmics-> geringe Diffusion
TDR-Gas 4T wieim TESLA-TDRnur kurze Drift-strecken
DESY Testbeam und 1T-Magnet-> Kombination, Auflösungs-
studien zu verschiedenenPadstrukturen
Die Karlsruher Rekonstruktions- und Analyse-SoftwareX-Y-Proj. Z-Y-Proj. X-Z-Proj.
time development
Entries 500Mean 280
RMS 130.8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0
50
100
150
200
time development
Entries 500Mean 280
RMS 130.8
time development
ZeitlicheEntwicklungeines Pads:
05
1015
2025
30
240
260
280
300
320
340
050
100150200250
row profile
Entries 16000
Mean x 14.24
Mean y 281.2
RMS x 5.364
RMS y 25.66
row profile
Entries 16000
Mean x 14.24
Mean y 281.2
RMS x 5.364
RMS y 25.66
row profile
Ausschnitt aus demProfil eine Pad-Reihe:
Pad-Reihe
Zeit-Entwicklung
Cluster
CERN Proton-Synchrotron:Pionen (9 GeV), definierter Strahl-> Ortsauflösungsstudienunterschiedl. Spurbreiten durch- unterschiedliche Gase- veränderte Driftstrecke
primäre Clusterbreite
e_pro_PadOpt. Auflösung =
Ortsauflösung beim CERN-Testbeam
Effektiver Gain0 1000 2000 3000 4000 5000
Ort
sau
flö
su
ng
xin
µm
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2
TDR 6cm13cm2Ar-CO
4cmAr-CO2
Effektiver Gain0 1000 2000 3000 4000 5000
Ort
sau
flö
su
ng
zin
µm
0
50
100
150
200
250
300
350
400TDR 6cm
13cm2Ar-CO
4cm2Ar-CO
Transversale Ortsauflösung: Longitudinale Ortsauflösung:
Bester Wert: 62µm Bester Wert: 59µm
Sättigung der Ortsauflösung ab einem bestimmten Gain (=Verstärkungsfaktor)(abhängig vom Signal-zu-Rauschenverhältnis)
Extrapolation für ILC-Detektor
CERN, Geneva (Switzerland)
Spatial resolution
0 1 2 3 4 5 6
0 8 16 24 32 40 48 56
Ar-CO (70:30, 0T)2 - - TDR gas (4T)TDR gas (0T)
0 50 100 150 200 2500.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.3000 50 100 150 200 250
TESLA TDR Values
Ar-CO2
(70:30, 0T)
TDR gas (0T)
resi
duals
�[m
m](w
ithouttrack
err
or)
equivalent drift distance [cm]
Definition einer äquidistantenDriftdistanz über identischeClusterbreite:
=> TDR-Vorgaben werden erfüllt
D *x =
=
=
D *x
2Mess Mess
2Mess2äqiv
2äquiv äquiv
�
�
DESY 5,5T-Magnet, Cosmics-> Magnetfeld bringt driftende
Elektronen auf Helixbahn-> verringerte Diffusion-> Extrem schmale Cluster
Bedingung wie im ILC-Detektor,(TDR-Gas bei 4T, TESLA-TDR)-> äußerst problematisch:
kurze Driftstrecken
Problematik der Ortsauflösung im Magnetfeld
Driftvolumen
GEMs undPad-Struktur
Diffusion
Auslese-Elektronik
xDtranstrans
��� 22
0�� � mTmtrans
���� 50044500 ��
=> Es werden häufig nur 1 oder 2 Pads getroffen bei 2x6mm²-Pads
mPadbreite
restrans
�57712
��=>
MagBoltz-Simulation
Experimentelle Daten
Magnetfeld in TTra
nsv
ersa
ler
Dif
fusi
onsk
oeef
izie
nt
inµ
m/
(sonst: )primäre Clusterbreite
e_pro_Pad
Folgen der schmalen Tracks für die Analyse
Clusterposition wird über Ladungsschwerpunkt (COG) bestimmt -> Korrektur
Clusterposition bzgl. des Pads
Off
set
der
tran
sver
sale
nR
esid
uen
inm
m
Longitudinale Residuen in mm
Transversale Residuen in mmClusterposition bzgl. des Pads
Bre
ite
der
tran
sver
sale
nR
esid
uen
inm
m
Off
set
der
lon
gitu
dn
alen
Res
idu
enin
mm
Clusterposition bzgl. des Pads
Bre
ite
der
lon
gitu
dn
alen
Res
idu
enin
mm
Clusterposition bzgl. des Pads
Dop
pel
gau
ßD
opp
elga
uß
Auflösung = der Verteilung des Abstands zw. Cluster und zug. Spur�
Ortsauflösung beim DESY-Magnettest(quasi senkrechte Tracks)
3
1115
1923 0
12
34
5
0
100
200
300
400
500
600
7Driftdistanz in cm Magnetfeld in T
Lon
gitu
din
ale
Ort
sau
flös
un
gin
µm
711
15
23
01
23 4
5
050
100150200250300350
19
3
Driftdista
nz incm
Magnetfeld in T
Tra
nsv
ersa
leO
rtsa
ufl
ösu
ng
inµ
m
Verbesserte Z-Bestimmung in Arbeit !Effekt durch Padbreiten-Limitierungkonnte inzwischen durch Anpassung derAuswerte-Algorithmen stark verringertwerden.
Winkelabhängigkeit der Ortsauflösung=> Wahl des Pad-Seitenverhältnisse
�
y
x
t
Track
Longitudinale Auflösung bleibt (hier!) relativ konstant� in°
Lon
gitu
din
ale
Ort
sau
flös
un
gin
µm
in°
Tra
nsv
ersa
leO
rtsa
ufl
ösu
ng
inµ
m 2x6mm²-Pads
1.27x12.5mm²-Pads
2x6mm²-Pads deutlich besser geeignet als 1.27x12.5 mm²-Pads in Bezugauf schräge Teilchenspuren.
DESY Testbeam und Magnet,Elektronen (5 GeV)-> Kombination-> vordefinierte Spuren +
schmale Tracks-> Auflösungsstudien zu
verschiedenen Pad-strukturen
Test verschiedener Pad-GeometrienVerbesserung der Ladungsaufteilung durch neue Pad-Geometrien?
Weitere Strukturen in Planung -> MonteCarlo-Simulation
Bisherige Ergebnisse der Pad-Studien
=> Am besten geeignet scheint:
(optimierte Ladungsaufteilung)
ABER: Verbesserungsvorschlägefür behandelte Geometrien sindin Arbeit (z.B. combs)
2x6mm² staggered pads
Zusammenfassung und Ausblick
In Karlsruhe wurde ein TPC-Prototyp mit GEM-Auslese hergestellt undin mehreren Messungen erfolgreich eingesetzt.=> hadronische Teilchenstrahlen am CERN
4T-Magnetfeld am DESYTeilchenstrahl am DESY + 1T-Magnetfeld
Ortsauflösungs-Studien für den ILC-Detektor:- in transversaler und longitudinaler Richtung:
ca. 60 µm- Bisher : 2x6mm² Staggered PadsNicht gezeigt: Studien zu Effizienz, Energieauflösung ...In Planung: Studien zur Doppelspurauflösung
Stabiler Betrieb der GEM-TPC auch bei hohem Gain und unter starkerBelastung
TESLA-TDR-Vorgaben können im Wesentlichen erfüllt werden.
Beste Ortsauflösung
beste Pad-Geometrie