doctoral thesis

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Schließlich ist der Grund für die experimentell beobachtete Form der Ladungsspektren
an RPCs nicht eindeutig geklärt. Man beobachtet einen Scheitelpunkt, der zu
höheren Spannungen hin ausgeprägter wird. Die Statistik der Elektronenlawinen sagt
jedoch ein monoton zu höheren Ladungen hin abfallendes Spektrum voraus.
In der vorliegenden Arbeit werden im Detail die physikalischen Prozesse beschrieben,
die grundlegend für die Funktion und für das Verständnis von RPCs sind, beginnend
bei der Primärionisation, über die Lawinenstatistik bis zur Signalinduktion
und zur Ausleseelektronik. Die für die Primärionisation und die Lawinenpropagation
wichtigen Gasparameter werden mit den bekannten Simulationsprogrammen HEED,
MAGBOLTZ und IMONTE errechnet. Es werden Monte-Carlo Simulationsroutinen
vorgestellt, die auf den beschriebenen Prozessen basieren. Ein einfaches eindimensionales
Modell ohne Diffusionseffekte und ohne detaillierte Implementierung eines
Raumladungseffektes ergibt Simulationsergebnisse für Effizienz und Zeitauflösung,
die sehr nahe an Messungen liegen. Dieses Modell und die Ergebnisse wurden publiziert
in [1]. Den Beitrag der vorliegenden Arbeit bilden die Implementierung des
Raumladungseffektes in dieses Modell und seine detaillierte Untersuchung.
Der Raumladungseffekt wird mit eingebunden, indem angenommen wird, dass
die Lawinenladungen in Scheiben untergebracht sind, welche radiale Gaußförmige
Ladungsverteilungen tragen, die von der transversalen Diffusion abhängen. Für die
Berechnung des elektrischen Feldes der Raumladung wird eine analytische Lösung
für das Potential einer Punktladung im Gasspalt einer RPC verwendet. Diese wurden
in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Graz [2] erarbeitet und in
[3, 4] publiziert. Schließlich werden mehrdimensionale Modelle präsentiert, die auch
die Auswirkungen des Raumladungsfeldes in transversale Richtung implementieren.
Insbesondere das 2-D Modell, welches Zylindersymmetrie der Lawinen annimmt und
den Spalt in ein zweidimensionales Netz der longitudinalen und radialen Koordinaten
einteilt, erlaubt die detaillierte und erkenntnisreiche Simulation einzelner Ladungslawinen.
Es wird gezeigt, dass die hohe RPC Effizienz tatsächlich durch eine hohen Dichte
von Primärionisationszentren (etwa 9.5 /cm) und durch einen hohen effektiven Townsend-Koeffizienten
(etwa 113 /mm) erklärt wird. Es ergibt sich, dass das Raumladungsfeld
bei hoher Gasverstärkung die Größenordnung des angelegten Feldes erreicht,
in longitudinaler wie in transversaler Richtung. Der Raumladungseffekt unterdrückt
tatsächlich die großen Werte der Ladungen. Es wird gezeigt, dass die Form der simulierten
Ladungsspektren sehr genau denen von gemessenen Spektren gleicht, und dass
die mittlere Ladung der simulierten Spektren nahe an den gemessenen liegt. Außerdem
wird gezeigt, dass RPCs in einem Raumladungsmodus betrieben werden, welcher
sich über einen großen Bereich angelegter Spannungen erstreckt, im Gegensatz zu
Drahtkammern.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wurden zum Teil auf der ’RPC 2001’-
Konferenz [5] und auf der ’2002 NSS/MIC’-Konferenz [6] vorgestellt und diskutiert.