GEM – Ein neuartiger Gas Detektor

GEM –Ein neuartiger Gas Detektor

Thomas Meinschad1, L. Ropelewski1, F. Sauli1, L. Musa1

1 CERN, 1211 Genf, Schweiz

ÖPG, KTP, 28. September 2005

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

GEM - TechnologieGas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler.

Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel 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 (~40m)

Gas


GEM - TechnologieGas Electron Multiplier (GEM): Doppelt mit Kupfer beschichtete Polymerfolie (50-100 Löcher/mm2): Jedes Loch wirkt als unabhängiger Proportionalzähler.

Elektronen- bzw. Ionenfluss in einem Single GEM Detektor: M= tel 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 (~40m)

Gas


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

GEM - Technologie

Effektive Gasverstärkung M für diverse GEM-Kaskaden

Durch Kaskadierung erreicht man höhere Gasverstärkungsfaktoren bei gleichzeitiger Reduktion der Entladungswahrscheinlichkeit.

Triple GEM-Detektor mit Notationder elektrischen Felder

Andere VerstärkungsmoduleÖPG Vortrag , 28. September 2005, Meinschad Thomas

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 ~ 40m 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, …


Anwendungen

TPC - Endcap

Tritonspuren in 3He:Szintillationslicht erzeugt in den GEM-Löchern aufgenommenvon einer CCD Kamera(Coimbra Universität)

Radiographie

Geschlossener Gas-Photomultiplier(Weizmann Institut)


Photodetektion (RICH)

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


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

..

..

..

ep

epRing

epN Min

Max

n

1cos Sensitiv für einzelne Photoelektronen

Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit)

Cherenkov Ring AuflösungCherenkov Winkel

Photodetektion (RICH)

Kostenintensiv bei großen FlächenBeschränkte Anwendbarkeit in MagnetfeldernNiedrige Ortsauflösung (~mm)Aktive Fläche ~80%

Lange Driftzeiten, Komplizierte HandhabungReines Gas (1ppm), niedriger Dampfdruck (Heizung)

Quantenausbeute: 35%@7.5eVSensitiv für einzelne PhotonenEindeutige Unterscheidung der Photonenereignisse, ABER ...


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

..

..

..

ep

epRing

epN Min

Max

Sensitiv für einzelne Photoelektronen

Photodetektoren mit sehr guter Ortsauflösung (Eindeutigkeit)

Cherenkov Ring AuflösungCherenkov Winkel

n

1cos

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

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-PhotonenereignisMWPC Gas-Photodetektor

Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

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


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

Hexaboard

1 51 41 31 2111 09876543210

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

1514131211109876543210

v u

w

520 m Streifenabstand, 600 m Plättchenabstand am selben Streifen

Hexagonale Plättchen mit den Auslesestreifen der jeweiligen Projektionen leitend verbunden.

Mapping der drei Projektionen.


Prototyp Photodetektor

Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifenzu identifizieren. Streifenabstand: 1000m

Frontansicht des GEM-Photodetektors

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)

Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasHexaboard

Prototyp Photodetektor

Gemessene Kapazitäten (n:n+1), um nicht perfekte Streifenzu identifizieren. Streifenabstand: 1000m

Detektor (innen)

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)

Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasHexaboard

FEC/ALTRO

Ladungssensitiver Vorverstärkerbasierend auf HARP ChipGain: 4,5 mV/fC, FWHM: 200 ns

Koaxiale Kabel transportierendie verstärkten analogen Signalezum ALTRO-Board ALTRO-Chip

16 Kanal A/D Konverter (10-bit dyn. Bereich / 40 MHz max. Taktfrequenz) verbunden mit einem digitalen Prozessor …


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

H2-Entladungslampe trigger

Füllgas: Methan (CH4)

Inv. Driftfeld, Minimalisierung direkter Ionisierung

Gasverstärkung: ~ 7.5 105


Ein-Photonen Ereignis

Ladungsverteilungen


Ein-Photonen Ereignis

Ladungsverteilungen

Ladungsschwerpunkt (COG)

Clusterbreite (rms)


Rekonstruktion

Clusterbreite (in 520 m)

Rekonstruktion der Photonenereignisse

Ladungskorrelation

Ladungsteilung: ~1 Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

Schlussfolgerungen

Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m 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 ThomasNIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. SauliPhoton Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press

Schlussfolgerungen

Sensitiv für einzelne Photonen Exzellente Viel-Photonen Auflösung Ein-Photonen Ortsauflösung: ~55 m rms Gasdetektor arbeitet mit CH4 Vollständige Photon Feedback Unterdrückung Hohe Raten verarbeitbar (MHz/mm2) Geringere Schädigung der CsI-Schicht

Geeignet für schnelle RICH Anwendungen !

Viel-Photonen Ereignis

Rigorosum, 22. Juni, 2005, Meinschad ThomasNIM A 535, (2004), 324:GEM-based photon detector for RICH applications Th. Meinschad, L. Ropelewski F. SauliPhoton Detection and Localization with GEM: F. Sauli, Th. Meinschad, L. Musa, Leszek Ropelewski; Rome, IEEE 2004, NIM in press

QUAD-GEM Struktur

2 m m

q u a rtz w in d o wm esh (9 0 % )G E M 1 &3 0 0 n m C sI

G E M 2

G E M 3

G E M 4

H ex ab o ard

R D O ch an n e ls

d rif t f ie ld

tran sfe r f ie ld 1



in d u c tio n f ie ld

d rift

G E M s

to p

b o tto m

to p

b o tto m

to p

b o tto m

to p

b o tto m

- H V

Resistor chain Quad – GEM structure (2/2/2/2)

521V top3.15 kV/cm

Ladungskorrelation

Spezielles

Zwei-Photonen Ereignis

Rigorosum 22. Juni, 2005, Meinschad Thomas

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

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

Intensitätsreduktion

Energieauflösung

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