Gasmonitorkammern der T2K-Bauart - Datennahme und …

Gasmonitorkammern der

T2K-Bauart - Datennahme und

Datenanalyse

von

Paul Malek

Bachelorarbeit in Physik

vorgelegt der

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften

der

RWTH Aachen

im August 2011

angefertigt im

III. Physikalischen Institut B

bei

Priv. Doz. Dr. Stefan Roth

Zweitgutachter: Prof. Dr. Achim Stahl

Inhaltsverzeichnis

1 Die Gasmonitorkammer 3

1.1 Gasdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Verwendete Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Die Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Grundlegende Messungen 9

2.1 Driftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1 ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2 T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3 P5-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Gasverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1 ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.3 P5-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Messungen mit dem QDC 15

3.1 Messung der Gasverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.1 Kalibration des QDC-Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Messung der transversalen Di�usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Feldabhängigkeit bei der Messung der Gasverstärkung 19

4.1 Messungen für die verschiedenen Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2 Mögliche Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2.1 Simulation der Ladungsdi�usion . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2.2 Ein�uss der longitudinalen Di�usion . . . . . . . . . . . . . . 264.2.3 Untersuchung der transversalen Di�usion . . . . . . . . . . . . 294.2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Literaturverzeichnis 35

1

1 Die Gasmonitorkammer

Die Gasmonitorkammern für die TPCs des ND280 im T2K-Experiments wurdenvon Dr. Stefan Roth, Dr. Karim Laihem, Prof. Dr. Achim Stahl, Dennis Terhorstund Jochen Steinmann entwickelt. In Japan werden zwei Kammern eingesetzt, umdauerhaft Driftgeschwindigkeit und Gasverstärkung des Gases der TPCs im ND280zu überwachen. Eine zusätzliche Kammer, mit der die Messungen dieser Arbeitdurchgeführt werden, steht zur Zeit in Aachen und eine vierte wurde parallel zurvorliegenden Arbeit aufgebaut und in Betrieb genommen.Zum besseren Verständnis wird zunächst allgemein die Funktionsweise von Gasde-tektoren dargestellt. Zudem werden die im Laufe dieser Arbeit verwendeten Gasge-mische vorgestellt.

1.1 Gasdetektoren

Gasdetektoren sind ein wichtiger Bestandteil vieler Experimente der Teilchenphysik,da sie es ermöglichen, eine Vielzahl von Teilcheneigenschaften in einem Detektor zubestimmen [2, S. 9f], und so entscheidend zu Teilchenidenti�kationen beitragen.Die Signalerzeugung und damit der Nachweis von Teilchen erfolgt für alle Gasde-tektoren nach dem gleichen Prinzip: Durch�iegt ein geladenes Teilchen das Gasvo-lumen des Detektors, erfährt es durch Ionisation und Anregung der Gasatome und-moleküle einen spezi�schen Energieverlust pro Strecke, der durch die Bethe-Bloch-Formel (Gl. 1.1) beschrieben wird:

−⟨dE

dx

⟩= Kz2Z

A

1

β2

[1

2ln

(2mec

2β2γ2Tmax

I2

)− β2

](1.1)

Dabei ist

K = 4πNAr2emec

2 = 0, 307 MeV/cm2

z = Ladungszahl des Teilchens

Z = Ordnungszahl des Absorbers

A = Molare Masse des Absorbers

β =v

cme = Masse des Elektrons

c = Lichtgeschwindigkeit

γ =1√

1 − β2

3


Daraus folgt, dass je nach Teilchenart und -energie eine bestimmte Energiemengeim Gas deponiert wird, die man durch Integration der Formel über die Flugstreckeerhält. Zusammen mit der mittleren Ionisationsenergie des Gases kann die Anzahlder Elektron-Ion-Paare berechnet werden, die erzeugt worden sind. Baut man dasGasvolumen in einen Kondensator ein, driften die freien Elektronen und die Ionenzu den Elektroden. Dort erzeugen sie einen Spannungspuls:

δU =δQ

C(1.2)

Da die Elektronen beim Driften im elektrischen Feld Energie gewinnen, können siebei ausreichend hohen Feldstärken selbst weitere Gasatome/-moleküle ionisieren.Dieser Vorgang wiederholt sich mit allen freigewordenen Elektronen und es bildetsich eine Lawine, sodass die Elektronenwolke im Gas verstärkt wird. Deshalb heiÿtdieser Prozess Gasverstärkung (Gain). Die Abhängigkeit des an der Anode eintref-fenden Signals von der angelegten Spannung ist in Abbildung 1.1 dargestellt.

Abbildung 1.1: Arbeitsbereiche von Gasdetektoren

Bereich I Mit steigender Spannung sinkt die Warscheinlichkeit, dass Elektron undIon wieder rekombinieren.

Bereich II Übersteigt die angelegte Spannung einenWert U1, so �ndet keine Rekom-bination mehr statt. Die gemessene Ladungsmenge bleibt über einen Bereichkonstant. Sie ist gleich der Summe der erzeugten Ladungsträger. Es �ndet kei-ne Gasverstärkung statt. In diesem Bereich arbeitet die Ionisationskammer.

4

1.1 Gasdetektoren

Bereich III Ab einer Spannung U2 werden die Elektronen in der Nähe der Anodeso stark beschleunigt, dass ihre Energie ausreicht, um durch Stöÿe weitereGasatome zu ionisieren. Es bauen sich Ladungslawinen auf. Jedoch bleibt dienachgewiesene Ladungsmenge proportional zur primär erzeugten Ladungsmen-ge. Die durch Stoÿionisation hervorgerufene Vervielfachung der Ladung heiÿtGasverstärkung. Eine Kammer, die in diesem Arbeitsbereich betrieben wird,heiÿt Proportionalkammer.

Bereich IV In diesem Bereich ist die gemessene Ladung nur bedingt proportionalzur Primärionisation.

Bereich V Ab einer Spannung U4 beginnt der Auslösebereich. Ein Hinweis für die-sen Bereich ist, dass alle ionisierenden Teilchen, unabhängig von Teilchenartund Energie, den gleichen Spannungspuls erzeugen. Die Zählrohre, die in die-sem Bereich arbeiten, nennt man Geiger-Müller-Zählrohre. Die Gasver-stärkung ist in diesem Bereich schon so groÿ, dass ohne vorherige VerstärkungSignale mit einer Amplitude von einigen Volt erzeugt werden können.

Bereich VI Steigt die Spannung noch weiter an, so werden auch die Signale immergröÿer. Irgendwann tritt jedoch eine kontinuierliche Entladung auf, die dasZählrohr/die Kammer beschädigen kann.

Nach den Arbeitsbereichen des Detektors unterscheidet man drei Typen von Gas-detektoren.

• Ionisationskammer

• Proportionalzählrohr/-kammer

• Geiger-Müller-Zählror

Der in den Gasmonitorkammern verwendete Detektor, die Micromegas1, kann denProportionalkammern zugeordnet werden, während der Driftbereich der Kammernim Ionisationsbereich betrieben wird. Insgesamt ist die Kammer eine sogenannteDriftkammer, oder genauer Zeitprojektionskammer (TPC):Die bei einem Teilchendurchgang erzeugte Ionisationsspur driftet in Form freierElektronen in Richtung Anode, wo sie verstärkt wird. Durch eine Segmentierungder Nachweisebene kann die Ionisationsspur in zwei Dimensionen bestimmt werden.Die dritte Dimension, parallel zur Driftrichtung, erhält man bei genauer Kenntnisder Driftgeschwindigkeit (2.1) aus der Ankunftszeit der Elektronenwolke nach demTeilchendurchgang.Gleichzeitig kann aus der gemessenen Ladung bei bekannter Gasverstärkung (2.2)die Anzahl der Primärelektronen und damit die im Gas deponierte Energie bzw. derspezi�sche Energieverlust dE/dx berechnet werden (s.o.). Be�ndet sich die TPCzusätzlich in einem Magnetfeld, kann aus der Krümmung der Spur der Impuls desTeilchens bestimmt werden [2, S. 13f].

1Micro Mesh Gaseous Structure

5


1.2 Verwendete Gase

Gasgemische für Gasdetektoren basieren zumeist auf Edelgasen, da diese nicht mitanderen Komponenten reagieren. Dadurch wird die Konstanz der Nachweiseigen-schaften des Detektors sichergestellt. Zusätzlich enthalten die Gasgemische lang-kettige Molekülgase, wie Methan, die Energie in einer Vielzahl von Rotations- undSchwingungszuständen aufnehmen können. Das ist nötig, da die Edelgasatome nachder Ionisation oft in einem angeregten Zustand zurückbleiben und beim Übergang inden Grundzustand ein Photon aussenden, das wiederum abseits der Spur des Teil-chendurchgangs Ionisation auslösen kann. Die Molekülgase absorbieren diese Pho-tonen und geben die Energie strahlungslos ab.Für diese Arbeit wurden drei Gase auf der Basis von Argon verwendet. Zunächstwurde das Gas aus dem Technical Design Report des International Linear Colliders(ILC) verwendet. Es wird in der restlichen vorliegenden Arbeit als ILC-Gas bezeich-net. Die Gaskomponenten mit ihren Anteilen sind in Tabelle 1.1 aufgelistet.

Gas Anteil im Gas relativer Fehler auf den Anteil

Argon(Ar) 93 % ±10 %Methan (CH4) 5 % ±10 %Kohlensto�dioxid (CO2) 2 % ±10 %

Tabelle 1.1: Zusammensetzung von ILC-Gas [2]

Auÿerdem wurden Messungen mit dem Driftgas der TPCs des ND280-Detektors desT2K-Experiments, im weiteren als T2K-Gas bezeichnet, durchgeführt. Die Zusam-mensetzung zeigt Tabelle 1.2.


Argon(Ar) 95 % ±10 %Tetra�ourmethan (CF4) 3 % ±10 %Isobutan (iC4H10) 2 % ±10 %

Tabelle 1.2: Zusammensetzung von T2K-Gas [2]

Das dritte verwendete Gas ist sogenanntes P5-Gas, eine Mischung aus Argon undMethan (Tab. 1.3).


Argon(Ar) 95 % ±10 %Methan (CH4) 5 % ±10 %

Tabelle 1.3: Zusammensetzung von P5-Gas

6

1.3 Aufbau

1.3 Aufbau

Der Aufbau der Gasmonitorkammern entspricht dem einer TPC. Das bedeutet, dengröÿten Teil der Kammer nimmt der Driftbereich ein, in dem ein elektrisches Feld (jenach Messung 150 V/cm bis 370 V/cm) angelegt werden kann. Feldformungsstreifen,die orthogonal zu den Feldlinien um die Kammer verlaufen, halten das Feld homogen.Auÿen, am Driftbereich, be�nden sich zudem drei Halterungen für die radioaktivenQuellen (Abb. 1.2), durch die das für die Messungen benötigte regelmäÿige Signalerzeugt wird. Für die Messung der Gasverstärkung (Gainmessung) wird eine 55Fe-Quelle verwendet, die parallel zur Driftrichtung in die Kammer strahlt. Für dieDriftgeschwindigkeitsmessung werden zwei 90Sr-Quellen in die beiden Halterungensenkrecht zur Driftrichtung angebracht.An der Anodenseite der Gasmonitorkammer be�ndet sich innerhalb der Micromegas,die den eigentlichen Detektor bildet, der Nachweisbereich, wo die Gasverstärkungstatt�ndet.

Abbildung 1.2: Driftbereich der Kammer mit Quellenpositionen [3]

1.4 Die Micromegas

Die Micromegas besteht aus einem Metallgitter (Mesh) mit einer Maschenweite von36µm, das sich 128µm vor der Anode be�ndet. Wird an das Mesh eine Spannungangelegt (300 V bis 470 V, abhängig vom Gas), erzeugt dies ein sehr hohes elektri-sches Feld zwischen Mesh und Anode (bis zu ca. 37 kV/cm), das in diesem kleinenBereich die Gasverstärkung ermöglicht. Gleichzeitig trennt das Mesh Nachweis- undDriftbereich elektrisch voneinander, sodass die Feldstärken in beiden Bereichen un-abhängig voneinander geregelt werden können.

7


Die Anode ist in 4,5 mm · 4,5 mm groÿe Pads unterteilt, die getrennt ausgelesen wer-den können, aber für die beiden Messungen, Driftgeschwindigkeit und Gasverstär-kung, zu Auslesebereichen zusammengeschaltet werden (Abb. 1.3). Um für die Mes-sung der Gasverstärkung die gesamte Elektronenlawine erfassen zu können, werdenvier Pads zu einem gröÿeren Quadrat verbunden (Gainpad, 1). Da die Lawine ihregesamte Ladung auf den vier Pads deponieren sollte, können mit dem Vetoring (Ring,2) um das Gainpad Störsignale von den 90Sr-Quellen und Signale der 55Fe-Quelle,die das Gainpad nicht vollständig tre�en, unterdrückt werden. Zur Driftgeschwindig-keitsmessung werden je vier Pads zu insgesamt vier Streifen zusammengeschlossen(vd-Pads, 3-6), die auch für die Messung der transversalen Di�usion mit dem QDC(3.2) verwendet werden.

Abbildung 1.3: Einteilung der Micromegas

Die Signale der einzelnen Pad-Gruppen werden durch einen Vorverstärker (Presha-pe32) verstärkt und an die Ausleseelektronik weitergeleitet (Abb. 1.4).

ADC

ADC

MM P32

SiPM

Gain

vd

TB

TB

Σ

-10dB-10dB-10dB

Disk GATE

QDC

Gain &

T-Diff

TB: TriggerboardMM: MicromegasP32: Preshape32

Disk: Diskriminator

Abbildung 1.4: Schaltung der Ausleseelektronik

8

2 Grundlegende Messungen

Um die Eigenschaften der drei verwendeten Gase kennenzulernen und so Betriebs-bereiche für Meshspannung und Driftfeld für andere Messungen festlegen zu können,wurden zunächst immer Gasverstärkungs- und Driftgeschwindigkeitskurven aufge-nommen.

2.1 Driftgeschwindigkeit

Die Driftgeschwindigkeit vd ist die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen im Drift-bereich entlang der z-Achse (Abb. 1.2), die aus der Beschleunigung durch das elek-trische Feld und den Stöÿen der Elektronen mit den Gasatomen resultiert.Die Messung der Driftgeschwindigkeit erfolgt anhand der Signale der 90Sr-Quellen.90Sr ist ein β−-Strahler, zerfällt also unter Aussendung eines 0,5 MeV-Elektrons in90Y, das wiederum in 90Zr zerfällt. Bei diesem zweiten Zerfall wird ein Elektronmit einer mittleren Energie von 2,2 MeV erzeugt. Die so abgestrahlten Elektronenhinterlassen eine Ionisationsspur im Gas, die zur Micromegas driftet und dort einSignal erzeugt. Werden Zerfälle aus beiden Quellen aufgezeichnet, kann aus der Dif-ferenz der mittleren Ankunftszeiten die Driftgeschwindigkeit bestimmt werden, dader Abstand der Quellen bekannt ist.Der Trigger erfolgt über eine szintillierende Faser, die in der anderen Seite der Kam-mer verläuft und an deren Enden jeweils ein SiPM angebracht ist. Genau gegenüberder beiden Quellen be�ndet sich eine Ö�nung, durch die die β-Elektronen auf dieFaser tre�en und ein Lichtsignal erzeugen. Eine Messung erfolgt nur, wenn beideSiPMs gleichzeitig ein Signal erhalten. Die Ankunftszeiten beider Ladungsspurenauf der Micromegas werden dann in ein Histogramm eingetragen. Nach ca. 2000Ereignissen wird die Zeitdi�erenz der Mittelwerte der so entstandenen Gauÿpeaksbestimmt. Damit ist die Driftgeschwindigkeit gegeben als:

vd =∆l

∆t(2.1)

∆l = 120,4 ± 0,1 mm ist dabei der Abstand der Quellen, dessen Fehler aus derDicke der Szintillationsfaser resultiert [2, S. 18]. Die Messunsicherheit auf die Drift-geschwindigkeit berechnet sich über Gauÿsche Fehlerfortp�anzung:

σvd =

√(σ∆l

∆t

)2

+

(∆l ·σ∆t

∆t2

)2

(2.2)

9


Dabei ergibt sich die Unsicherheit der Zeitdi�erenz aus den Unsicherheiten der Fitszur Bestimmung der Peakpositionen.Da der so berechnete Fehler die Streuung bei wiederholten Messungen meist deutlichunterschätzt, werden in der weiteren Arbeit Pro�le der Messdaten verwendet. DerenFehlerbalken geben die Streuung der Messwerte in diesem Punkt an.

2.1.1 Driftgeschwindigkeit in ILC-Gas

Die Driftgeschwindigkeitskurve in ILC-Gas (Abb. 2.1) erreicht bei ungefähr 250 V/cmein Maximum von ca. 46 mm/µs. Die Messergebnisse, auf die bereits eine von Te-ja Wrobel erstellte T/p-Korrektur [2] angewandt wurde, stimmen im Rahmen derStreuung mit den simulierten Werten überein. Die leichte Verschiebung der Mit-telwerte nach oben kann damit erklärt werden, dass die Driftgeschwindigkeit starkvom Wassergehalt des Gases abhängt [2, S. 63f], für den keine Korrekturmessungvorliegt.

Abbildung 2.1: Pro�l der Driftgeschwindigkeitskurve in ILC-Gas

2.1.2 Driftgeschwindigkeit in T2K-Gas

Auch auf die Driftgeschwindigkeitsdaten der Messung mit T2K-Gas (Abb. 2.2) wur-de eine T/p-Korrektur angewendet [2]. Die Driftgeschwindigkeit in T2K-Gas weistein Maximum von 78 mm/µs bei einer Feldstärke von ca. 275 V/cm auf. Im gesamtenvermessenen Feldbereich ist die Driftgeschwindigkeit in T2K-Gas deutlich höher alsin ILC- und P5-Gas. Unterhalb von 100 V/cm kann aber auch mit T2K-Gas nichtmehr gemessen werden, da die Driftgeschwindigkeit so klein wird, dass nicht mehrbeide Signale der 90Sr-Quellen im Aufnahmezeitraum des ADC ankommen.

10

2.1 Driftgeschwindigkeit

Abbildung 2.2: Pro�l der Drifgeschwindigkeitskurve in T2K-Gas

2.1.3 Driftgeschwindigkeit in P5-Gas

Für P5 lagen während dieser Arbeit weder T/p- noch Wasser-Korrekturen vor, wo-durch die Abweichungen zwischen den Messungen und der Simulation zu erklärensind. Das Maximum liegt bei ca. 85 V/cm, wobei die Messwerte hier mit ungefähr40 mm/µs stärker von der Simulation (42 mm/µs) abweichen als bei höheren Feld-stärken. Die Driftgeschwindigkeit in P5 ist langsamer als in ILC-Gas, was dazuführt, dass der Bereich der Driftfeldstärke, in dem Messungen durchgeführt werdenkönnen, der kleinste der drei Gase ist.

Abbildung 2.3: Pro�l der Driftgeschwindigkeitskurve in P5-Gas

11


2.2 Gasverstärkung

Die für die Gasverstärkungsmessung verwendete 55Fe-Quelle ist ein γ-Strahler, des-sen abgestrahlte Photonen eine Energie von 5,9 keV besitzen. Die Photonen ionisie-ren jeweils ein Gasatom und erzeugen damit ein hochenergetisches Elektron. Dieseserzeugt durch Stoÿionisation an den Gasatomen weitere freie Elektronen bis sei-ne Energie aufgebraucht ist. Die mittlere benötigte Energie pro Ionisation beträgt26,3 eV in reinem Argon [1, S. 62]. Da für Gasgemische die mittleren Ionisations-energien der einzelnen Komponenten entsprechend ihrem Anteil gewichtet in dieGesamtenergie eingehen und alle verwendeten Gase hauptsächlich aus Argon be-stehen, wird der Unterschied hier vernachlässigt. Damit ergibt sich die Anzahl derPrimärelektronen zu

Np =5,9 keV

26,3 eV≈ 224 (2.3)

[1, S. 62]. Diese driften durch die Kammer zur Anode, wo die ankommende Ladunggemessen wird. Die Gasverstärkung im Nachweisbereich berechnet sich dann aus

Γ =Ne

Np

=Q/e

Np

(2.4)

mit der Elementarladung e. Allerdings sind durch die Verwendung einer einheitlichenPrimärionisation für alle Gase die Messwerte für verschiedene Gase nicht vergleich-bar.Um ein aussagekräftiges Messergebnis zu erhalten, werden die ADC-Messwerte vonca. 2900 Messungen in ein Histogramm eingetragen, woraus dann mit einem Gauÿ-�t an den Photopeak Mittelwert und Sigma der Messwerte bestimmt werden. Auchhier werden, wie bei der Driftgeschwindigkeitsmessung, wieder Pro�le der Messda-ten verwendet, da der Fehler auf den Mittelwert die Streuung der Messwerte beiwiederholten Messungen deutlich unterschätzt.Zur Umrechnung des vom ADC gemessenen Wertes in eine Ladung ist eine Kali-bration des Messaufbaus nötig. Diese müsste für jeden Kanal des Preshape32 undauch bei einem Austausch des Preshape32 wiederholt werden [1, S. 63]. Aus Zeit-gründen wurde im Laufe dieser Arbeit trotz der Verwendung mehrerer Preshape32- zu Beginn der Messungen mit T2K-Gas wurde der Preshape32 aufgrund eines De-fekts ausgetauscht - keine Kalibration durchgeführt und deshalb nur das relativeVerhalten gemessen.

2.2.1 Gasverstärkung in ILC-Gas

Die hier mit dem ADC aufgenommene Gasverstärkung steigt wie erwartet exponen-tiell mit der Mesh-Spannung (1.1) und zeigt bis zur maximal möglichen Spannungvon 470 V keine Sättigung des ADC. Damit ist es möglich, im gesamten Spannungs-bereich Messungen durchzuführen, ohne Verfälschungen der Ergebnisse bei hohenSpannungen befürchten zu müssen.

12

2.2 Gasverstärkung

Abbildung 2.4: Pro�l der Gainkurve von ILC-Gas

2.2.2 Gasverstärkung in T2K-Gas

Die Gasverstärkungskurve von T2K-Gas wurde mit dem QDC (3.1) aufgenommen.Bis zu Mesh-Spannungen von 345 V zeigt sich auch hier im Pro�l (Abb. 2.5) dererwartete exponentielle Anstieg. Bei höheren Spannungen wird aber die Sättigungdes QDC erreicht, sodass Messungen mit Spannungen oberhalb von 345 V nichtsinnvoll durchgeführt werden können.

Abbildung 2.5: Pro�l der Gainkurve von T2K-Gas

13


2.2.3 Gasverstärkung in P5-Gas

Auch die Gasverstärkung in P5-Gas wurde mit dem ADC gemessen. Das erwarteteexponentielle Verhalten ist auch hier wieder bis zur maximalen Mesh-Spannung von470 V zu beobachten, ohne dass eine Sättigung des ADC eintritt. Damit kann dergesamte Bereich für Messungen verwendet werden.

Abbildung 2.6: Pro�l der Gainkurve von P5-Gas

14

3 Messungen mit dem QDC

Der für die Messungen verwendete QDC CAEN V965 [5] ist ein 16-Kanal-QDC miteiner Au�ösung von 4096 Bit und einem für alle Kanäle geltenden Gate-Eingang.Mit dem Ziel, die Genauigkeit der Gasverstärkungsmessung gegenüber der Messungmit dem ADC zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Messung der Gas-verstärkung mit diesem QDC implementiert. Zudem wurde zur Untersuchung derFeldabhängigkeit der Gasverstärkungsmessung (4.2) eine Messung der transversalenDi�usion eingerichtet.

3.1 Messung der Gasverstärkung

Zur Messung der Gasverstärkung mit der 55Fe-Quelle werden die Signale des Gain-pads und des Rings auf je einem Kanal des QDC gemessen. Anders als beim Trig-gerboard des ADC [1, S. 59] wird der Messzeitraum des QDC (Gate) nicht aus einerAntikoinzidenz von Gainpad und Ring getriggert, sondern nur über das Signal desGainpads, das in einen Diskriminator geschickt wird. Das Veto des Ring-Signals wirddeswegen in der Auslesesoftware implementiert. Die Gateweite wird so eingestellt,dass beide Signale bei entsprechender Verzögerung vollständig innerhalb dieses Zeit-fensters liegen.

Abbildung 3.1: Gainspektrum aufgenommen mit dem QDC

15


In der Auslesesoftware wird die Ausgabe des QDC auf das Gainsignal in ein Histo-gramm gefüllt, sofern kein Signal auf dem Ring gemessen wird. An den Photopeakdes so gewonnenen Spektrums (Abb. 3.1) wird nach Erreichen einer festgelegtenAnzahl von Einträgen eine Gauÿfunktion angepasst (Abb. 3.2), deren Mittelwertdas QDC-Bit angibt, dem die gemessene Ladung entspricht. Um die wirkliche La-dung und damit die Gasverstärkung zu erhalten, ist deshalb eine Kalibration desQDC-Signals nötig.

Abbildung 3.2: Gainspektrum mit Gauÿ�t

3.1.1 Kalibration des QDC-Signals

Die Kalibration des QDC erfolgt durch Testpulse unterschiedlicher Amplituden, dievon einem Pulsgenerator erzeugt und über einen 4,7 pF-Kondensator in den Presha-pe32 gegeben werden. Dessen Ausgangssignal wird wie oben beschrieben mit demQDC gemessen, während gleichzeitig mit einem digitalen Oszilloskop das Ausgangs-signal des Pulsgenerators aufgezeichnet wird. Integration über dieses Pulssignal lie-fert die Amplitude U des Eingangssignals am Preshape32. Mit der Kapazität C desKondensators und der Elementarladung e kann daraus die dem Puls entsprechendeLadung bzw. die Anzahl an Elektronen berechnet werden.

Ne =C ·Ue

(3.1)

Mit der mittleren Zahl von Primärelektronen pro Photon von Np ≈ 224 (2.2) er-gibt sich die Gasverstärkung nach Formel 2.4. Diese wird gegen die Ausgabe derQDC-Messung aufgetragen (Abb. 3.3). Durch Anpassen einer Gerade erhält mandie Kalibrationsfunktion, die in allen Auswertungen dieser Arbeit verwendet wurde.

16

3.2 Messung der transversalen Di�usion

Abbildung 3.3: Geraden�t zur QDC Kalibration

3.2 Messung der transversalen Di�usion

Zur Messung der transversalen Di�usion wird die ankommende Ladung auf dreibenachbarten vd-Pads beobachtet, wenn man die 55Fe-Quelle in einer der 90Sr-Halterungen anbringt. Der Trigger des Gatesignals erfolgt, wenn die Summe dieserdrei Signale den am Diskriminator eingestellten Schwellwert überschreitet. In derAuslesesoftware werden dann jeweils die Ladungsmengen auf zwei benachtbartenPads nach folgenden Formeln verglichen und in Histogramme eingetragen:

1

2

(R−M

M +R+ 1

)1

2

(M − L

M + L− 1

)(3.2)

M , R und L sind die Ladungen der entsprechenden Pads in Abbildung 1.3. Die Ein-tragung der Ladungsverteilung nach diesen Formeln ermöglicht es, direkt die Anzahlan Ereignissen abzulesen, bei denen ein bestimmter Anteil der Ladung auf dem PadL (−1 bis 0) bzw. R (0 bis 1) ankommt. Tri�t die Elektronenlawine immer nur eineinzelnes Pad, ergeben sich nur Einträge bei −1, 0 und 1, bei breiteren Lawinenentstehen immer mehr Einträge zwischen diesen Punkten.In der Summe dieser Histogramme (Abb. 3.4) wird das Maximum ausgelesen. Zu-dem wird durch je einen quadratischen Fit, dessen Minimum bestimmt wird, dasMinimum der beiden Bereiche rechts und links festgestellt, wobei die negative Hälf-te den Vergleich von L und M und die positive den zwischen R und M enthält.

17


Abbildung 3.4: Histogramm mit Fits zur Bestimmung der transversalen Di�usion

Der Quotient aus Minimum und Maximum ist eine Richtgröÿe für die Breite derLadungswolke. Misst man die Breite für verschiedene Abstände der Quelle zur Mi-cromegas, also in der vorderen und der hinteren 90Sr-Halterung, erhält man durchAuftragen der Breite der Ladungswolke gegen den Abstand der Quelle und Anlegeneiner Geraden durch die beiden Punkte eine Richtgröÿe für die transversale Di�u-sion. Zur Untersuchung der Driftfeldabhängigkeit der Di�usion reicht es allerdings,die Breite der Ladungswolke vorne und hinten in Abhängigkeit von der Feldstärkezu betrachten, sodass dieser letzte Schritt nicht angewendet wurde.In diesem Messaufbau kann auch weiterhin die Gasverstärkung gemessen werden,indem die Summe der Ladung auf den drei verwendeten vd-Pads aufgezeichnet wird,wenn das mittlere Pad den höchsten Ladungsanteil erhält. Ein zusätzliches Veto wiebei den Gasverstärkungsmessungen vorher (siehe 1.4 und 3.1) ist nicht nötig, dakeine 90Sr-Quellen eingebaut und somit kaum Störsignale vorhanden sind.

18

4 Feldabhängigkeit bei der

Messung der Gasverstärkung

Die Gasverstärkung sollte unabhängig von der Stärke des Driftfeldes sein, da sienur im Nachweisbereich innerhalb der Micromegas statt�ndet, der durch das Meshvom Driftbereich abgeschlossen ist. Trotzdem war in einigen Messungen der Gasver-stärkung eine eindeutige Abhängigkeit der Messergebnisse von der Driftfeldstärkezu erkennen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine genauere Messreihe zudiesem Phänomen durchgeführt.

4.1 Messungen für die verschiedenen Gase

Um einen Überblick zu erhalten und den E�ekt eingrenzen zu können, wurden mitden drei verschiedenen Gasen, ILC, T2K und P5, zunächst Messungen der Gasver-stärkung mit variierender Driftfeldstärke durchgeführt.Die Messungen für T2K- und ILC-Gas zeigen beide ein lineares Abnehmen der Gas-verstärkung mit steigendem Driftfeld (Abb. 4.1 bis 4.3). Die Abhängigkeit ist inILC-Gas allerdings deutlich stärker als in T2K-Gas. So nimmt die Messung derGasverstärkung in ILC-Gas um ca. 10 % bei 200 V/cm Driftfeldänderung ab, wäh-rend die Änderung in T2K-Gas 6 % bei 220 V/cm beträgt.Ein deutlich anderes Ergebnis liefert die Gasverstärkungsmessung mit P5-Gas, dennhier ist keine Abhängigkeit vom Driftfeld zu erkennen (Abb. 4.4). Aus diesem Grundwurden alle weiteren Messungen zur Feldabhängigkeit hauptsächlich mit ILC- undT2K-Gas durchgeführt.Zu beachten sind die stark voneinander abweichenden Absolutwerte der Gasverstär-kung zwischen den Messungen mit QDC und ADC (vgl. Abb. 4.1 und 4.2), die aufeine ungenügende Kalibration der ADC-Messung, vor allem bei den Messungen mitT2K-Gas, zurückzuführen sind (2.2). Zudem muss die Kalibration der Messungenauf eine feste Primärelektronenzahl berücksichtigt werden (2.2 und 3.1.1). Deshalbwird die Feldabhängigkeit der Gasverstärkungsmessung in Relativwerten betrachtet,um einen Vergleich zwischen den unterschiedlichen Messungen herstellen zu können.

19

4 Feldabhängigkeit bei der Messung der Gasverstärkung

Abbildung 4.1: Pro�l der ADC Gaindaten zur Driftfeldabhängigkeit in ILC-Gas

Abbildung 4.2: Pro�l der QDC Gaindaten zur Driftfeldabhängigkeit in ILC-Gas

20

4.1 Messungen für die verschiedenen Gase

Abbildung 4.3: Pro�l der ADC Gaindaten zur Driftfeldabhängigkeit in T2K-Gas

Abbildung 4.4: Pro�l der ADC Gaindaten in P5-Gas

21


4.2 Mögliche Ursachen der Feldabhängigkeit

Die bisher durchgeführten Simulationen zur Gasverstärkung berücksichtigen nichtden Driftbereich der Kammer [2, S. 24f] und können somit keine feld- und abstand-sabhängigen E�ekte sichtbar machen. Um zu überprüfen, ob die Feldabhängigkeitder Gasverstärkungsmessung vom Abstand der 55Fe-Quelle zur Micromegas abhängt,wurden zwei Messreihen durchgeführt, bei denen die Quelle jeweils einmal in der hin-teren und einmal in der vorderen 90Sr-Halterung angebracht war. Dazu wurde die inAbschnitt 3.2 beschriebene Methode verwendet. Es zeigt sich im Vergleich der bei-den Messreihen eine eindeutige Abstandsabhängigkeit: Während sich die Quelle inder hinteren Halterung be�ndet, ist wieder die oben (4.1) gezeigte Feldabhängigkeitvon ca. 12 % auf 200 V/cm zu sehen. Ist die Quelle jedoch in der vorderen Halterungangebracht, beträgt die Änderung nur noch ca. 6,5 % auf 200 V/cm (Abb. 4.5 undAbb. 4.6).

Abbildung 4.5: Feldabhängigkeit der Gasverstärkung in ILC-Gas bei groÿemAbstand

Eine Wiederholung der Messung für T2K-Gas zeigt eine Übereinstimmung. Beigroÿem Abstand der Quelle zur Micromegas ergibt sich wieder eine Feldabhängigkeitvon 7 % auf 220 V/cm, während bei kleinem Abstand keine Abhängigkeit messbarist (Abb. 4.7 und Abb. 4.8).Aus diesem Verhalten kann man schlieÿen, dass auf dem Weg durch die KammerLadung verloren geht. Da Di�usion der Primärelektronen als naheliegende Ursacheerscheint, wird diese im Folgenden genauer auf ihre Feldabhängigkeit untersucht.

22

4.2 Mögliche Ursachen

Abbildung 4.6: Feldabhängigkeit der Gasverstärkung in ILC-Gas bei kleinemAbstand

Abbildung 4.7: Feldabhängigkeit der Gasverstärkung in T2K-Gas bei groÿemAbstand

23


Abbildung 4.8: Gasverstärkung in T2K-Gas bei kleinem Abstand

4.2.1 Simulation der Ladungsdi�usion

Mit Hilfe von Magboltz [2, S. 21] wurden Simulationen zur transversalen undlongitudinalen Di�usion der Primärelektronen in den drei verwendeten Gasen fürverschiedene Driftfeldstärken erstellt. Um einen Vergleich mit dem Verhalten derGasverstärkung zu ermöglichen, sind neben den simulierten Di�usionswerten auchMesswerte der Gasverstärkung in die Diagramme eingetragen. Alle Datensätze sindbei einer je nach Gasgemisch unterschiedlichen Feldstärke normiert (Abb. 4.9 bis4.11).Die transversale Di�usion zeigt in den Simulationen für P5-Gas keine Feldabhän-gigkeit. Nur für ILC-Gas ist ein linearer Anstieg in den Daten zu erkennen (Abb.4.9). Dass bei T2K-Gas keine Abhängigkeit vorliegt, spricht gegen die Vermutung,dass ein Verlust von Primärelektronen durch Di�usion zu einem Ladungsverlust beider Gasverstärkungsmessung führt. Allerdings machen es die Unsicherheiten der Si-mulationen schwierig, die zu erwartende Feldabhängigkeit zu erkennen, da beides inder Gröÿenordnung von 10 % liegt.Ganz anders verhält sich die longitudinale Di�usion. Diese nimmt in allen drei Ga-sen mit steigender Driftfeldstärke stark ab und weist damit eine Übereinstimmungmit dem Verhalten der Gasverstärkungsmessung in ILC- und T2K-Gas auf. Wider-sprüchlich ist aber, dass sich für P5-Gas das gleiche Verhalten zeigt, während dieGasverstärkung hier unabhängig von der Feldstärke ist.

24


Abbildung 4.9: Simulation der Di�usion in ILC-Gas normiert bei 250 V/cm

Abbildung 4.10: Simulation der Di�usion in T2K-Gas normiert bei 275 V/cm

25


Abbildung 4.11: Simulation der Di�usion in P5-Gas normiert bei 250 V/cm

4.2.2 Ein�uss der longitudinalen Di�usion

Da die longitudinale Di�usion in den Simulationen ein Verhalten zeigt, das zumin-dest die Feldabhängigkeit der Gasverstärkungsmessung mit ILC- und T2K-Gas er-klären könnte, wurde eine genauere Untersuchung durchgeführt. Zunächst mussteaber geklärt werden, wie die longitudinale Di�usion auf die Gasverstärkungsmessungeinwirken kann, wenn die gesamte Ladungswolke innerhalb der Aufnahmezeiträumevon ADC bzw. QDC eintri�t. Hier wurde vermutet, dass der Preshape32 je nachAnstiegszeit des Ladungspulses bei gleicher Ladung ein anderes Signal ausgibt.Zur Überprüfung dieser Vermutung werden Testpulse mit unterschiedlichen An-stiegszeiten aber gleicher Amplitude mit einem Pulsgenerator erzeugt und über einenKondensator an den Eingang des Preshape32 gesendet. Das Eingangssignal des Pres-hape32 wird mit einem Digitaloszilloskop aufgezeichnet, um daran die Anstiegszeitvon 10 % auf 90 % Pulsamplitude zu bestimmen. Die Ausgabe des Preshape32 wirdmit dem QDC gemessen und gegen die Anstiegszeiten aufgetragen (Abb. 4.12).Schätzt man die Driftstrecke der Primärelektronen mit 10 cm ab, erhält man aus denSimulationen der longitudinalen Di�usion eine zeitliche Dehnung der Ladungswolkezwischen 7 ns und 30 ns für ILC- und T2K-Gas (Abb. 4.13 und Abb. 4.14).Die Änderung der Anstiegszeiten durch die Di�usion liegt folglich in der gleichenGröÿenordung. Ein Verleich mit Abbildung 4.12 zeigt, dass daraus eine Änderungder Gasverstärkungsmessung um weniger als 1 % resultiert. Hinzu kommt, dass dieStreckung der Elektronenwolke in P5-Gas noch gröÿer ist als bei den anderen Gasen(Abb. 4.15). Damit wird deutlich, dass die longitudinale Di�usion auf diese Weisenicht die beobachtete Feldabhängigkeit verursacht.

26


Abbildung 4.12: Abhängigkeit des Preshape32-Signals von der Anstiegszeit

Abbildung 4.13: Zeitliche Dehnung der Elektronenwolke in ILC-Gas

27


Abbildung 4.14: Zeitliche Dehnung der Elektronenwolke in T2K-Gas

Abbildung 4.15: Zeitliche Dehnung der Elektronenwolke in P5-Gas

28


4.2.3 Untersuchung der transversalen Di�usion

Die Simulationen in Abschnitt 4.2.1 zeigen zwar keine eindeutige Abhängigkeit dertransversalen Di�usion von der Feldstärke, aber aufgrund der groÿen Fehler, dieeine Abhängigkeit der gesuchten Gröÿenordnung überdecken können, wurde einegenauere Untersuchung durchgeführt. Mit dem Aufbau aus Abschnitt 3.2 wurdedeshalb die Breite der Elektronenwolke für die beiden Abstände der Quelle zurMicromegas gemessen.

T2K-Gas

Die Messungen mit T2K-Gas bei groÿem Abstand der Quelle ergeben, dass die Breiteder Elektronenwolke bei variierendem Feld im Rahmen der Streuung von 5 % kon-stant bleibt (Abb. 4.16). Wird die Quelle in der vorderen Halterung angebracht, lässtsich eine lineare Abhängigkeit erkennen (Abb. 4.17). Da die Streuung der Messwertehier allerdings ca. 50 % des Messwertes beträgt, ist es auch möglich eine konstanteBreite zu interpretieren (Abb. 4.18).

Abbildung 4.16: Breite der Elektronenwolke in T2K-Gas bei groÿem Quellenabstandnormiert bei 275 V/cm

Um die Ursache der starken Streuung zu �nden, wurden zunächst die Histogrammeund die quadratischen Anpassungen zur Bestimmung des Minimums (vgl. Abb. 3.4)betrachtet. Dabei wurde deutlich, dass die Anpassungen keine sinnvollen Minimaliefern (Abb. 4.19).

29


Abbildung 4.17: Breite der Elektronenwolke in T2K-Gas bei kleinem Quellenab-stand mit Geraden�t normiert bei 275 V/cm

Abbildung 4.18: Breite der Elektronenwolke in T2K-Gas bei kleinem Quellenab-stand mit konstantem Fit normiert bei 275 V/cm

30


Abbildung 4.19: Ladungsverteilung mit missglückten Fits

Abbildung 4.20: Vergleich der Histogramme bei groÿem Quellenabstand

31


Abbildung 4.21: Vergleich der Histogramme bei kleinem Quellenabstand

Damit trotzdem eine Aussage über die Feldabhängigkeit der transversalen Di�usiongemacht werden kann, wurde für beide Quellenpositionen und alle Feldstärken zu-fällig jeweils ein Histogramm zum Vergleich ausgewählt. Wie zu erwarten zeigen dieVerteilungen bei groÿem Quellenabstand für alle Feldstärken eine deutliche Über-einstimmung (Abb. 4.20). Bei den Verteilungen bei kleinem Quellenabstand (Abb.4.21) ergibt sich jedoch der Eindruck, dass bei kleineren Feldstärken mehr Einträgezwischen den drei Maxima vorhanden sind als bei stärkerem Feld. Das würde be-deuten, dass die Breite der Elektronenwolke bei kleiner Driftstrecke mit steigenderFeldstärke kleiner wird und damit die transversale Di�usion in T2K-Gas mit derFeldstärke wächst.

ILC-Gas

Wird die Messung mit ILC-Gas wiederholt, zeigt sich ein deutlicheres Ergebnis.Die Breite der Ladungswolke steigt bei groÿem Abstand der Quelle zur Microme-gas um 16 % bei einer Driftfelderhöhung von 200 V/cm (Abb. 4.22). Beim kleinerenAbstand lässt sich keine Abhängigkeit von der Feldstärke feststellen, die Breite derElektronenwolke ist im Rahmen der Streuung von 10 % konstant (Abb. 4.23). DiesesErgebnis zeigt, dass die transversale Di�usion in ILC-Gas mit steigender Driftfeld-stärke zunimmt.

32


Abbildung 4.22: Breite der Elektronenwolke in ILC-Gas bei groÿem Quellenabstandnormiert bei 250 V/cm

Abbildung 4.23: Breite der Elektronenwolke in ILC-Gas bei kleinem Quellenabstandnormiert bei 250 V/cm

33


4.2.4 Zusammenfassung

Die Ursache für die Abhängigkeit der Gasverstärkungsmessung von der Stärke desDriftfeldes konnte nicht abschlieÿend identi�ziert werden. Allerdings wurde gezeigt,dass die longitudinale Di�usion der Primärelektronen wahrscheinlich keinen Ein�ussauf die Messung hat. Die transversale Di�usion könnte zumindest in ILC-Gas einenTeil der Feldabhängigkeit verursachen, während für T2K-Gas mit den verwendetenMessverfahren dazu keine eindeutige Aussage getro�en werden kann.

34

Literaturverzeichnis

[1] Jochen Steinmann. Inbetriebnahme der Monitorkammern für die TPC des T2K-Experiments. Diplomarbeit, III. Physikalisches Institut B, RWTH-Aachen,2010.

[2] Teja Wrobel. Systematische Messungen der Driftgeschwindigkeit und der Gas-verstärkung mithilfe einer Gasmonitorkammer für das T2K-Experiment. Di-plomarbeit, III. Physikalisches Institut B, RWTH-Aachen, 2011.

[3] Dennis Terhorst. Entwicklung einer Monitorkammer zur Überwachung desDriftkammergases der T2K-TPC. Diplomarbeit, III. Physikalisches Institut B,RWTHAachen, 2009.

[4] Oliver Pooth. Experimentalphysik V - Einführung in die Teilchen- und Astro-teilchenphysik. Vorlesung, RWTH-Aachen, 2011.

[5] CAEN Mod. V965/V965A, Handbuch. http://www.caen.it.

[6] particle data group. Particle Physics Booklet. IOP, 2010.

35

Erklärung

Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne Benutzunganderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe.

Aachen, 30. August 2011 Paul Malek

Gasmonitorkammern der T2K-Bauart - Datennahme und …

Documents

Transcript of Gasmonitorkammern der T2K-Bauart - Datennahme und …