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Resolution studies of a GEM-Based TPC [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Martin Killenberg

De
133 pages
Resolution Studiesof aGEM-Based TPCVon der Fakultat fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der Rheinisch-Westfalisc henTechnischen Hochschule Aachen zur Erlangungdes akademischen Grades eines Doktors derNaturwissenschaften genehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom-Physiker Martin Killenbergaus SoestBerichter: Prof. Dr. Joachim MnichProf. Dr. Achim StahlTag der mundlichen Prufung: 15. Dezember 2006 Diese Dissertation ist auf den Internetseitender Hochschulbibliothek online verfugbar.AbstractThe next large collider to be build after the Large Hadron Collider LHC is theelectron-positron International Linear Collider ILC. Both collider concepts comple-ment each other. The LHC, reaching centre of mass energies of up to 14 TeV, has ahigh discovery potential, while the ILC with its well known initial state allows highprecision measurements.A detector at the ILC will need a nely segmented calorimeter and a trackingdetector with high e ciency and momentum resolution, as well as good particleidenti cation. Currently there are four di eren t concept studies trying to optimisethe detector for the requirements at the ILC. In three of these detector concepts atime projection chamber (TPC) is foreseen as the main tracking device.A TPC allows the measurement of several hundred points per track, providing avery good tracking e ciency .
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Resolution Studies
of a
GEM-Based TPC
Von der Fakultat fur Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der Rheinisch-Westfalisc hen
Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung
des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Martin Killenberg
aus Soest
Berichter: Prof. Dr. Joachim Mnich
Prof. Dr. Achim Stahl
Tag der mundlichen Prufung: 15. Dezember 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfugbar.Abstract
The next large collider to be build after the Large Hadron Collider LHC is the
electron-positron International Linear Collider ILC. Both collider concepts comple-
ment each other. The LHC, reaching centre of mass energies of up to 14 TeV, has a
high discovery potential, while the ILC with its well known initial state allows high
precision measurements.
A detector at the ILC will need a nely segmented calorimeter and a tracking
detector with high e ciency and momentum resolution, as well as good particle
identi cation. Currently there are four di eren t concept studies trying to optimise
the detector for the requirements at the ILC. In three of these detector concepts a
time projection chamber (TPC) is foreseen as the main tracking device.
A TPC allows the measurement of several hundred points per track, providing a
very good tracking e ciency . With only 3 % of a radiation length in the barrel region,
the amount of material introduced into the detector is small compared to silicon
sensors. This minimises multiple scattering and improves the energy measurement
in the calorimeters. The TPC also provides a good measurement of the speci c
energy loss dE/dx for particle identi cation.
To achieve the intended spatial resolution of 100 ?m, micro pattern gas detectors
(MPGD) are considered for gas ampli cation. These devices consist of structures
with a size of a few hundred ?m, in contrary to an anode wire readout with a pitch
of typically a few millimetres. This improves the granularity of the measurement and
minimises E B e ects, resulting in an enhanced spatial and two track resolution.
Furthermore the backdrift of ions into the sensitive volume of the TPC is intrinsically
suppressed. This is essential, as the established method of gating away the ions after
each recorded event will not work at the ILC. Due to the bunch structure there will be
data from 150 bunch crossings simultaneously in the TPC. The two di eren t MPGDs
discussed for the ILC TPC are Micro-Mesh Gaseous Detectors (Micromegas) and
Gas Electron Multiplier foils (GEMs).
The current thesis shows resolution studies with a TPC prototype equipped with
a triple GEM readout structure. A hodoscope made up of silicon strip sensors gives a
precision reference track, allowing an unbiased measurement of the spatial resolution.
High statistics measurements have been conducted at the DESY test beam facility,
which provides positrons with a tunable energy between 1 GeV and 6 GeV.
Using the independent measurement of the hodoscope allows systematic studies
of the homogeneity of the TPC’s electric eld. The uctuations of the eld in the
3chamber’s central region were found to be E=E = 8 10 . Field distortions have
been determined and corrected, reducing the remaining deviations to a level well
below the spatial resolution of the TPC.
iAbstract
One important task is to reduce the number of ions drifting back into the sensitive
volume. Special GEM settings with minimised ion backdrift have been examined
with respect to their in uence on the spatial resolution and it was found that the
spatial resolution is not degraded using these special settings.
The TPC at the ILC will be operated in high magnetic elds. Thus it is mandato-
ry to show that the anticipated performance can be achieved in magnetic elds. The
TPC prototype has been operated in a 4 T magnetic eld, provided by a supercon-
ducting solenoid located at DESY Hamburg. Again the spatial resolution measured
with the ion backdrift optimised settings is compared to that achieved with non-
optimised settings. In both cases the measured resolution is approximately 130 ?m.
iiZusammenfassung
Der nachste gro e Beschleuniger, der nach dem Large Hadron Collider LHC ge-
baut werden wird, ist der Elektron-Positron Linearbeschleuniger International Li-
near Collider ILC. Die Konzepte der beiden Beschleuniger erganzen sich gegen-
seitig. Der LHC erreicht Schwerpunktsenergien bis zu 14 TeV und hat ein hohes
Entdeckungspotential. Der ILC hingegen erlaubt Messungen von hoher Prazision
durch den gut bekannten Anfangszustand.
Ein Detektor fur den ILC benotigt ein fein segmentiertes Kalorimeter, einen Spur-
detektor mit hoher E zienz und guter Impulsau osung sowie gute Teilchenidenti-
k ation. Vier verschiedene Detektorstudien versuchen zur Zeit, den Detektor fur
die Anforderungen des ILC zu optimieren. In drei dieser Detektorkonzepte ist eine
Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC) als Hauptspurdetektor
vorgesehen.
Eine TPC liefert mehrere hundert Punkte pro Spur, was eine hohe Rekonstruk-
tionse zienz ermoglicht. Mit nur 3 % einer Strahlungslange im Zentralbereich ist
die in den Detektor eingebrachte Materialmenge klein im Vergleich zu Siliziumsen-
soren. Das minimiert die Vielfachstreuung und verbessert die Energiemessung in
den Kalorimetern. Au erdem bietet die TPC eine gute Messung des spezi sc hen
Energieverlustes dE/dx, die zur Teilchenidenti k ation benutzt wird.
Um die angestrebte Ortsau osung von 100 ?m zu erreichen, werden Mikrostruktur-
Gasdetektoren zur Gasverstarkung untersucht. Die Strukturen dieser Detektoren
haben eine Gro e von einigen hundert ?m, im Gegensatz zu Anodendrahten, die
im Abstand von einigen Millimetern gespannt sind. Das verbessert die Genauigkeit
der Messung und minimiert EB-E ekte, woraus sich eine verbesserte Orts- und
Doppelspurau osung ergibt. Au erdem wird die Ruc kdrift von Ionen in das sensiti-
ve Volumen den TPC unterdruckt. Das ist entscheidend, da die bewahrte Methode,
nach jedem aufgezeichneten Ereignis zu gaten, beim ILC nicht funktioniert. Wegen
der Struktur der Teilchenpakete werden die Daten von bis zu 150 Strahlkreuzungen
gleichzeitig in der TPC sein. Die beiden diskutierten Mikrostruktur-Detektoren sind
Micro-Mesh Gasdetektoren (Micromegas) und Gas Electron Multiplier (GEMs).
Diese Arbeit zeigt Au osungsstudien mit einem TPC-Prototypen, der mit ei-
ner Dreifach-GEM-Struktur ausgestattet ist. Ein Hodoskop aus Silizium-Streifen-
Sensoren liefert eine prazise Referenzspur, was eine unbeein usste Messung der
Ortsau osung ermoglic ht. Am DESY-Teststrahl, der Positronen mit einer Energie
zwischen 1 GeV und 6 GeV liefert, wurden Messungen mit hoher Statistik durch-
gefuhrt.
Die unabhangige Messung mit dem Hodoskop erlaubt systematische Studien der
Feldhomogenitat der TPC. Die ermittelten Feld uktuationen im Zentralbereich der
iiiZusammenfassung
3Kammer sind E=E = 8 10 . Feldverzerrungen wurden gemessen und korrigiert.
Die verbleibenden Abweichungen konnten so auf ein Niveau deutlich unter der Orts-
au osung der TPC reduziert werden.
Eine wichtige Aufgabe ist es, die Anzahl der Ionen zu reduzieren, die in das sensi-
tive Volumen der TPC zuruckdriften. Spezielle Einstellungen der GEM-Spannungen
zur Minimierung der Ionenruc kdrift wurden in Bezug auf ihren Ein uss auf die Orts-
au osung untersucht. Es wurde keine Beeintrachtigung der Au osung durch diese
speziellen Einstellungen festgestellt.
Die TPC wird am ILC in einem hohen Magnetfeld betrieben. Deshalb ist es not-
wendig zu zeigen, dass die angestrebte Au osung auch im Magnetfeld erreicht wird.
Die Prototyp-TPC wurde in einem 4 T Magnetfeld betrieben, das mit einem su-
praleitenden Solenoidmagneten am DESY in Hamburg erzeugt wurde. Auch hier
wurde die Ortsau osung der ionenruc kdrift-optimierten Einstellung mit derjenigen
verglichen, die mit den nicht optimierten Einstellungen erreicht wurde. In beiden
Fallen liegt die gemessene Au osung bei etwa 130 ?m.
ivContents
Abstract i
Zusammenfassung iii
1 Introduction 1
1.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 The GSW Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 The International Linear Collider 7
2.1 The Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Physics at the ILC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 A Detector for the ILC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 The Large Detector Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Working Principle of a TPC 15
3.1 Ionisation in Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Drift and Di usion in Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Drift of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 Drift of Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.3 Drift in Electric and Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.4 Di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Gas Ampli cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Proportional Wire Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 Micro Pattern Gas Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Ion Backdrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1 Multi-Wire Proportional Readout and Active Gating . . . . . 26
3.4.2 Ion Backdrift Suppression in Micromegas . . . . . . . . . . . . 28
3.4.3 Charge Transfer in a GEM Stack . . . . . . . . . . . . . . . . 28
vContents
4 The TPC Prototype 31
4.1 Field Cage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Readout Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Gas System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5 High Voltage Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.6 Environment Monitor System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.7 Experimental Setup for Measurements in a Magnetic Field . . . . . . 40
5 Data Classes and Reconstruction Software 43
5.1 Peak Finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 ADC Jitter Corrector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 Point Finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4 Distortion Corrector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.5 Track Finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.6 Helix Fitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.7 Event Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 The Hodoscope Test Stand 51
6.1 The Hodoscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1.1 Experimental Setup at the DESY Test Beam . . . . . . . . . . 54
6.1.2 Coordinate System and Track Parameters . . . . . . . . . . . 57
6.1.3 The Linux Graphical Readout Software ligros . . . . . . . . 58
6.2 Trigger Synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 Calibration of the TPC in the Hodoscope . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.1 Pre-Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.2 Final Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.3 Accuracy of the Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4 Measurement of the Absolute TPC Position . . . . . . . . . . . . . . 70
6.5 Test of the ADC Jitter Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7 Field Homogeneity of the Field Cage 75
7.1 Measurements of the Field Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.1.1 Variation of the Shield Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.1.2 Electrical Field Near the Readout Plane . . . . . . . . . . . . 76
7.1.3 Field Homogeneity in the Central Region of the TPC . . . . . 78
7.2 Measurements at the Maximum Drift Velocity . . . . . . . . . . . . . 80
7.2.1 Distortion Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.2.2 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8 Spatial Resolution 89
8.1 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.1.1 De nition 1: Spatial Resolution Measured With the Hodoscope 89
viContents
8.1.2 De nition 2: Spatial Resolution Without Reference Track . . . 90
8.2 Measurements With the Hodoscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2.1 Spatial Resolution in x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.2.2 in z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.2.3 Resolution for Di eren t GEM Settings . . . . . . . . . . . . . 96
8.3 Measurements in a 4 T Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9 Conclusion 101
A Chamber Settings and Gases 103
B Data Structures and Classes 105
B.1 Raw Data Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
B.2 Zero Suppressed Raw Data (ZSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
B.3 Peaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
B.4 Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
B.5 Straight Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
B.6 Helixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
C Parametrisation of the Drift Velocity 109
D Bias of the Centre of Gravity Method 111
Bibliography 115
Acknowledgements 121
viiContents
viii