Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese - Server der ...

Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese 

Martin Killenberg 

Sven Lotze 

Blanka Sobloher 

III. Physikalisches Institut B 

Graduiertenseminar 

Bad Honnef, 6. September 2002 

Martin Killenberg Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese 1/28

Vorträge der TESLA TPC-Gruppe (III B) 

Numerische 

Simulationen von GEM-Strukturen 

Blanka Sobloher (Dienstag) 

Ladungstransfer 

Sven Lotze (Dienstag) 

in GEM-Strukturen mit Magnetfeld 

Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese 

Martin Killenberg (Freitag) 


Überblick 

Einleitung 

Funktionsweise 

TPC-Auslese 

Aufbau des Teststands 

Hardware 

Software 

einer TPC 

mit GEM-Folien 

Messungen mit Auslesedrähten 

Gasparameter 

Auflösung 

der Kammer 

Konstruktion eines GEM-Auslesemoduls 

Ausblick 


TPC: zentrale Spurkammer für TESLA 

einfache dreidimensionale 

Spur-Rekonstruktion 

gute Bestimmung 

des Energieverlustes 

entlang der Spur 

großes Volumen 

fast keine Materie außer 

in der Hülle und der Endplatte 

Martin Killenberg Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese 4/28 

¡ 

¢£ ¢¥¤ 

¦

Funktionsweise einer TPC 

Driftkathode 

TPC : engl. Time Projection Chamber 

Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 

− 

− 

Gating− Anoden− 

drähte drähte 


Padebene


Driftkathode 


Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 

− 

− 

1: Gating offen 




− 

Padebene


Driftkathode 


Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 

− 

− 


2: Verstärkung 



− 

− − 

− − 

− − 

− 


Padebene


Driftkathode 


Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 

− 

− 



3: Gating 

geschlossen 

(Fast) keine 

Ionenrückdrift 

Aktives Gating 



− 

+ + + 

+ + + 

− − 

− − 

− − 

− 


Padebene

GEM: engl. Gas Electron Multiplier 

Dicke: 5 § m 

Kupfer auf 

50 § m Kaptonfolie 

Lochabstand (Pitch): 140 § m 

Lochdurchmesser: 

70 § m in Kupfer, 50 § m in Kapton 

Betriebsspannung für 

Gasverstärkung: 250 – 450V 

Feldstärke 

¨ 60kV/cm 

im Loch 

bei 400V 



Driftkathode 

Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 

Gasverstärkung mit GEM-Folien 

− 

− 

GEM 1 




Padebene


Driftkathode 

Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 


− 

− 


2: erzeugte 

Ionen 


− 

+ + 

− 

− 

+ 

+ + 

+ 

− 

− − 

− 

+ + 

+ + 

+ 

+ + 

+ 

− 

− −− − 

− − 

− 




Padebene


Driftkathode 

Teilchen− 

spur 

+ 

+ 

+ 

− 

+ 

− 

+ 

− 


− 

− 


2: erzeugte 

Ionen 

3: Wieviel Ionen− 

rückdrift? 


− 

+ + 

+ 

„Passives Gating“ 

− 

− 

+ 

+ + 

+ + + 

+ + + 

+ 


+ 

+ + 

+ 


− 

− − 

− 

+ + 

+ + 

+ 

+ + 

+ 

− 

− −− − 

− − 

− 

durch intrinsische Unterdrückung der Ionenrückdrift 


Padebene

Prinzip der Gasverstärkung 

Gasverstärkung mit Anodendrähten 

Pads 

Anodendraht 

Induziertes Signal 

in den Pads 


Prinzip der Gasverstärkung 

Gasverstärkung mit Anodendrähten Gasverstärkung mit GEMs 

Pads 

Anodendraht 

Induziertes Signal 

in den Pads 

GEMs 

Pads 

Signal in den Pads 


Vorteile einer Auslese mit GEMs 

Intrinsische 

Verbesserte 

Weniger 

Unterdrückung der Ionenrückdrift 

Orts- und Doppelspurauflösung 

Materie in den Endplatten 

Effekte durch Winkel zwischen elektrischem und 

magnetischem Feld sind kleiner 


Aufbau des Teststands 

Drift− 

kathode 

NIM−Crate 

Trigger− 

Elektronik 

Szintillatoren 

Anoden− 

drähte 

Vorverstärker 

Pads 

Offline− 

Analyse 

� � 

� 

� 

� 

Linux 

� 

�� 

� 

Hochspannung 

F 

A 

D 

C 

Fastbus−Crate 

� � 

� 

� 

© 

DAQ 

Mac 

� 

© � 

� 

Bus 

Master 

VIC−Bus 


Foto der Test-TPC 


Daten des Teststands 

Kammer 

Frühere 

Testkammer von NA35 (CERN) 

Gasvolumen ¨ 1,4 m 

Driftstrecke ¨ 120 cm 

Elektronik 

448 FADC-Kanäle 

12,5 

8 

MHz Abtastfrequenz 

Bit Auflösung 

512 

Byte Speichertiefe pro Kanal 

� 


Daten des Teststands 

Auslesemodul mit Anodendrähten 

Padgeometrie: 

Rechteckige Pads 

x: 5,5 mm breit ; 0,5 mm Abstand 

y: 39,5 mm lang ; 0,5 mm Abstand 

Ausgelesene Fläche: 

32 � 14 Pads ; 192 � 560 mm 

Verwendetes Gas 

Ar/CH � 

v drift 

¨ 

95:5 

40 mm 

cm 

� s bei � = 100 V 

� 


Software 

online 

FADC 

Datennahme− 

Software 

Rohdaten 

512 Samples 

x 448 Kanäle 

Macintosh 

offline 

Pulsfinder 

Kanal− 

Format 

Kanalnummer mit 

Zeit− und Ladungs− 

information des Pulses 

Linux PC mit ROOT 

Pad−Geometrie 

Punkt− 

Rekonstruktion 

Ereignis− 

Format 

Rekonstruierte Punkte 

mit X,Y,Z − Koordinaten 

und Ladungsinformation 

Spurfinder 

Spur− 

Format 

Spur aus 

linearer Regression 


Ereignisanzeige 

Event 23 Top 

End Side 


Ereignisanzeige 

Event 26 Top 

End Side 


Messung der Driftgeschwindigkeit 

Messmethode: 

Berechnung der 

Driftgeschwindigkeit aus den 

Schwerpunkten der Verteilungen 

und den Positionen der 

Szintillatoren 

# Punkte 

# Punkte 

# Punkte 

Vorderkante Szintillator bei 5 cm 

� 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 5 10 15 20 25 30 

Driftzeit [ μs] 


600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 5 10 15 20 25 30 



600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 5 10 15 20 25 30 



Messung der Driftgeschwindigkeit 

v drift [ mm / μs ] 

45 

40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

E [ V / cm ] 

Messung 

Simulation 


Messung der transversalen Diffusion 

Messmethode 

Ladungsverteilung 

an der Ausleseplatte 

Myon vorne in der Kammer 

Spur vorne in der Kammer 



Messmethode 



induziertes Signal 

Auf den Pads 

Myon vorne in der Kammer 


Signal der Spur von vorne in der Kammer 

Gasverstärkung 

und Induktion 



Messmethode 




Auf den Pads 

Myon vorne in der Kammer Myon hinten in der Kammer 




und Induktion 

Diffusion 

Spur hinten in der Kammer 



Messmethode 




Auf den Pads 

Myon vorne in der Kammer Myon hinten in der Kammer 




und Induktion 

Diffusion 

Spur hinten in der Kammer 

Signal der Spur von hinten in der Kammer 


und Induktion 



Bestimmung der Diffusion bei konstantem Driftfeld 

2 ] 

σ 2 [mm 

� 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

f(x)=ax + b 

a=1.6455 ± 0.01281 

b=8.15348 ± 0.1847 

D trans = 0.82 

−−−−−− b = σ 2 2 

0 

0 5 10 15 20 25 

Driftzeit [μs] 

� : 

Breite des Signals 


� 

� 

� 

�� 

� 

�� 

�


D’ [μm cm −½ ] 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

E [ V/cm] 

Messung 

Simulation 

Simulation liefert zu große Werte, weil höhere Anregungsmomente 

des Gases nicht berücksichtigt werden. 


Ortsauflösung der Kammer 

2 ] 

σ x 2 [mm 

� 

0 20 40 60 80 100 

1 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Driftstrecke [cm] 

0 

0 5 10 15 20 25 

Driftzeit [μs] 

Auslese: �¤ 

Auslese + Diffusion: �¤ 

Z-Richtung: �� 

§ § 

¨ ¨ 400 m 

900 m 

¨ 1mm 

� : Einzelpunkt- 

auflösung 


Doppelspurauflösung in X-Richtung 

End 

Gerade noch auflösbarer Abstand: ¨ 50 mm 


Doppelspurauflösung in Z-Richtung 

Side 

250 

200 

150 

100 

50 

Kanal 343 

0 

0 100 200 300 400 500 

Driftzeit [Zeitsamples] 

Noch auflösbarer Abstand: ¨ 1,5 § s 

�� 60 mm 


TPC-Teststand 

Trigger 

für Myonen aus der kosmischen Strahlung 

funktionierende 

Gassystem 

zuverlässige 

� Diffusion 

Auslese (448 Kanäle) 

zur Versorgung der Kammer 

Rekonstruktion der Spuren 

und Driftzeit stimmen mit Simulationen überein 

� Ortsauflösung: 400 § m (X-Richtung) 

� Doppelspurauflösung: 50 

1 mm (Z-Richtung) 

mm (X-Richtung) 

60 mm (Z-Richtung) 


Skizze des GEM-Auslesemoduls 

Pads Aluminium− 

rahmen 

Vorverstärker 

Schürze GEMs 

� 

� 

� 

� 

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� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 

� 


Größenvergleich der Pads 

Anodendrähte: 

Ausgelesene Fläche 

192 x 560 mm 

2 

Padgröße 

5,5 x 39,5 mm 

76,8 x 89,6 mm2 GEMs: 

Ausgelesene Fläche 

2 

Padgröße 

2 x 6 mm 


2

Ausblick 

Inbetriebnahme 

Ende 2002 

Messung 

Test 

des GEM-Auslese Moduls 

der Orts- und Doppelspurauflösung mit GEMs 

verschiedener Padgeometrien 

Konstruktion 

eines kleinen Feldkäfigs 

zur Messung in 5T Magnetfeld (DESY)

Aufbau einer Prototyp-TPC mit GEM-Auslese - Server der ...

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