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