Magnetfeldstudien zu Zeit-Projektionskammern mit GEM-Technologie im Rahmen des ILC-Projektes

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1 Magnetfeldstudien zu Zeit-Projektionskammern mit GEM-Technologie im Rahmen des ILC-Projektes Bernhard Ledermann Institut für Experimentelle Kernphysik, Universität Karlsruhe (TH) Herbstschule für HEP Sept Maria Laach

2 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 - Messungen mit dem Prototypen - Ergebnisse der Messungen am CERN - Problematik im Magnetfeld: Schmale Spuren - Ergebnisse der Magnetfeldmessungen - Studien zu verschiedenen Pad-Strukturen - Zusammenfassung und Ausblick

3 Das ILC-Projekt: Der International Linear Collider Ziel: Präzisionsmessungen zu neuer Physik nach der Entdeckungsmaschine LHC International Technology Recommendation Panel (ITRP):... we recommend that the linear collider will be based on superconducting technology. This technology has features, that the Panel considered attractive and will facilitate the future design => TESLA-Design Supraleitender Elektronen-Linac Experimentierhallen und Detektor für Teilchenphysik Kryogenische Hallen ~33km FEL-Labor Supraleitender Positronen-Linac Tunnel ~20m Damping-Ring Kollidiert Elektronen und Positronen Gesamtlänge: 33 km Schwerpunktsenergie: GeV Luminosität: 3,4 * 10 cm s Strahlstruktur: # Trains pro sec: 5 # Bunches pro Train: 2820 Zeit zwischen 2 Bunches: 337 ns Bunch-Größe am Interaktionspunkt: x/y/z: 553nm/5nm/300µm

4 Anforderungen an den Detektor des zukünftigen Linearbeschleunigers ILC Physikalische Anforderungen an den Spurdetektor 2-4 Impulsauflösung p t/p t < 2 10 /GeV Viel-Spur-Auflösung: 2.3 mm in r-, 10 mm in z Präzise de/dx-messung: E/E <5% Minimaler Materialeinsatz ECAL äußerer Feldkäfig zentrale Membran innerer Feldkäfig Endplatte Elektronik TPC-Versorgung Kabel FCH ECAL 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. Magnetfeld: 4T; Driftfeld: 230 V/cm Gas: Ar:CO 2:CH 4 93:2:5 Erwartete Ortsauflösung r- : 70 m (für d=0.1m); 190 m (für d=2.0m) Gasverstärkungsstufe: GEMs

5 Das Prinzip einer Zeit-Projektionskammer Auslese- Elektronik Elektron-Ion-Paar Diffusion Driftweg Gas (z.b Argon- Methan) Driftvolumen Vorteile: - gute Ortsauflösung (~100 µm) - hohe Zahl an Spurpunkten (~200) - gute de/dx - Auflösung (~5%) - echter 3D-Detektor (keine Zweideutigkeiten) 9 - hohe Granularität (10 Voxels) - geringe Materialdichte - Homogenität (nur Gas) - Vergleichsweise billig GEMs und Pad-Struktur Nachteile: - lange Clearing-Zeiten (40µs) - Rückdriftende Ionen aus dem Gasverstärkungsbereich - Ortsauflösung limitiert durch Diffusion

6 Prinzip der GEM-Verstärkung Gas-Electron-Multiplier (GEM-Folien): 1 Electronen Ionen 6 70 µm Kupfer Kapton Kupfer Kupfer Kapton Kupfer µm µm 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

7 Prinzip der GEM-basierten Auslese von Zeit-Projektions-Kammern Aufbau der Zeit-Projektions-Kammer: + GEMs zur Gasverstärkung in 2 oder mehr Stufen (um Entladungen zu vermeiden) e - + Pad-Auslesestruktur (evtl. auch Si-Pixel-Sensoren) zur Sammlung des e- - Signals Gating-Drähte (falls nötig) + Gating-Drähte nur falls nötig Vorteile: + 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 2mm 2mm GEM GEM Pad-Auslesestruktur

8 Driftzylinder: Endkappen: Auslese-Elektronik: Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp + Innerer Durchmesser d=20cm, Länge l=25cm + Doppelter Feldkäfig (Feldhomogenität) + Detektor kann mit verschiedenen MPGD-Typen und Auslesestrukturen versehen werden + Rauscharme hochintegrierte Front-End-Elektronik Trägerstrukturen für Messungen: + Großzügige Trägerstruktur für Teilchenstrahl am CERN und Cosmics-Messungen in Karlsruhe + Zylinderförmige, kompakte Trägerstruktur für Messungen im 5T-Magnet am DESY + Flache, kompakte Trägerstruktur für Messungen am Teilchenstrahl mit 1T-Magnetfeld am DESY

9 Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp Momentane Gasverstärkungsstufe: + Doppel-GEM-Struktur (Standard GEMs) + 2mm Abstand (E T=2.5kV/cm, E I=3.5kV/cm) + 10x10cm2 aktive Fläche Momentane Auslesestrukturen: Pads (32 Spalten, 8 Reihen); Padgröße: 1.27*12.5 mm²; Normale Pads Pads (30 Spalten, 12 Reihen); Padgröße: 2.0*6.0 mm²; Normale Pads, Staggered Pads, 3und1, Combs, Chevrons, Rauten

10 Messungen (Karlsruhe, CERN, DESY) CERN Proton-Synchrotron, Pionen, definierter Strahl -> Ortsauflösung, große Diffusion beam line Karlsruhe: Cosmics -> Erste Tests, große Diffusion DESY 5,5T-Magnet, Cosmics -> geringe Diffusion TDR-Gas 4T wie im TESLA-TDR nur kurze Driftstrecken DESY Testbeam und 1T-Magnet -> Kombination, Auflösungsstudien zu verschiedenen Padstrukturen

11 Die Karlsruher Rekonstruktions- und Analyse-Software X-Y-Proj. Z-Y-Proj. X-Z-Proj. Ausschnitt aus dem Profil eine Pad-Reihe: row profile Zeit-Entwicklung row profile Entries Mean x Mean y RMS x RMS y Cluster 25 Pad-Reihe 30 Zeitliche Entwicklung eines Pads: time development time development Entries 500 Mean 280 RMS

12 CERN Proton-Synchrotron: Pionen (9 GeV), definierter Strahl -> Ortsauflösungsstudien unterschiedl. Spurbreiten durch - unterschiedliche Gase - veränderte Driftstrecke Opt. Auflösung = primäre Clusterbreite e_pro_pad

13 Ortsauflösung x in µm Ortsauflösung beim CERN-Testbeam Transversale Ortsauflösung: Longitudinale Ortsauflösung: TDR 6cm Ar-CO 2 13cm Ar-CO 2 4cm 2 Ortsauflösung z in µm TDR 6cm Ar-CO 2 13cm Ar-CO 2 4cm Bester Wert: 62µm Bester Wert: 59µm Effektiver Gain Effektiver Gain Sättigung der Ortsauflösung ab einem bestimmten Gain (=Verstärkungsfaktor) (abhängig vom Signal-zu-Rauschenverhältnis)

14 Spatial resolution Extrapolation für ILC-Detektor residuals [mm] (without track error) Ar-CO 2 (70:30, 0T) - TDR gas (0T) - TDR gas (4T) TESLA TDR Values Ar-CO 2 (70:30, 0T) TDR gas (0T) equivalent drift distance [cm] Definition einer äquidistanten Driftdistanz über identische Clusterbreite: 2 D *x = Mess 2 D *x äquiv 2 Mess 2 äqiv Mess = = äquiv => TDR-Vorgaben werden erfüllt CERN, Geneva (Switzerland)

15 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

16 Problematik der Ortsauflösung im Magnetfeld MagBoltz-Simulation Auslese-Elektronik Diffusion GEMs und Pad-Struktur Driftvolumen Transversaler Diffusionskoeefizient in µm/ Experimentelle Daten Magnetfeld in T 2 x 450 m trans 4 T 500 m trans 2 0 D trans 0 => Es werden häufig nur 1 oder 2 Pads getroffen bei 2x6mm²-Pads => res trans Padbreite 577 m 12 (sonst: ) primäre Clusterbreite e_pro_pad

17 Folgen der schmalen Tracks für die Analyse Auflösung = der Verteilung des Abstands zw. Cluster und zug. Spur Clusterposition wird über Ladungsschwerpunkt (COG) bestimmt -> Korrektur Offset der transversalen Residuen in mm Breite der transversalen Residuen in mm Clusterposition bzgl. des Pads Clusterposition bzgl. des Pads Transversale Residuen in mm Offset der longitudnalen Residuen in mm Breite der longitudnalen Residuen in mm Doppelgauß Doppelgauß Clusterposition bzgl. des Pads Clusterposition bzgl. des Pads Longitudinale Residuen in mm

18 Ortsauflösung beim DESY-Magnettest (quasi senkrechte Tracks) Transversale Ortsauflösung in µm Magnetfeld in T Driftdistanz in cm Effekt durch Padbreiten-Limitierung konnte inzwischen durch Anpassung der Auswerte-Algorithmen stark verringert werden. Longitudinale Ortsauflösung in µm Driftdistanz in cm Magnetfeld in T Verbesserte Z-Bestimmung in Arbeit!

19 Winkelabhängigkeit der Ortsauflösung => Wahl des Pad-Seitenverhältnisse y t Transversale Ortsauflösung in µm 2x6mm²-Pads 1.27x12.5mm²-Pads Longitudinale Ortsauflösung in µm Track x in Longitudinale Auflösung bleibt (hier!) relativ konstant 2x6mm²-Pads deutlich besser geeignet als 1.27x12.5 mm²-pads in Bezug auf schräge Teilchenspuren. in

20 DESY Testbeam und Magnet, Elektronen (5 GeV) -> Kombination -> vordefinierte Spuren + schmale Tracks -> Auflösungsstudien zu verschiedenen Padstrukturen

21 Test verschiedener Pad-Geometrien Verbesserung der Ladungsaufteilung durch neue Pad-Geometrien? Weitere Strukturen in Planung -> MonteCarlo-Simulation

22 Bisherige Ergebnisse der Pad-Studien => Am besten geeignet scheint: 2x6mm² staggered pads (optimierte Ladungsaufteilung) ABER: Verbesserungsvorschläge für behandelte Geometrien sind in Arbeit (z.b. combs)

23 Zusammenfassung und Ausblick In Karlsruhe wurde ein TPC-Prototyp mit GEM-Auslese hergestellt und in mehreren Messungen erfolgreich eingesetzt. => hadronische Teilchenstrahlen am CERN 4T-Magnetfeld am DESY Teilchenstrahl am DESY + 1T-Magnetfeld Ortsauflösungs-Studien für den ILC-Detektor: - Beste Ortsauflösung in transversaler und longitudinaler Richtung: ca. 60 µm - Bisher beste Pad-Geometrie: 2x6mm² Staggered Pads Nicht gezeigt: Studien zu Effizienz, Energieauflösung... In Planung: Studien zur Doppelspurauflösung Stabiler Betrieb der GEM-TPC auch bei hohem Gain und unter starker Belastung TESLA-TDR-Vorgaben können im Wesentlichen erfüllt werden.