Development of floating strip micromegas detectors

Bortfeldt, Jonathan (2014): Development of floating strip micromegas detectors. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Micromegas are high-rate capable, high-resolution micro-pattern gaseous detectors. Square meter sized resistive strip Micromegas are foreseen as replacement of the currently used precision tracking detectors in the Small Wheel, which is part of the forward region of the ATLAS muon spectrometer. The replacement is necessary to ensure tracking and triggering performance of the muon spectrometer after the luminosity increase of the Large Hadron Collider beyond its design value of $10^{34}$\,cm$^{-2}$s$^{-1}$ around 2020. In this thesis a novel discharge tolerant floating strip Micromegas detector is presented and described. By individually powering copper anode strips, the effects of a discharge are confined to a small region of the detector. This reduces the impact of discharges on the efficiency by three orders of magnitude, compared to a standard Micromegas. The physics of the detector is studied and discussed in detail. Several detectors are developed: A $6.4\times6.4\,$cm$^2$ floating strip Micromegas with exchangeable SMD capacitors and resistors allows for an optimization of the floating strip principle. The discharge behavior is investigated on this device in depth. The microscopic structure of discharges is quantitatively explained by a detailed detector simulation. A $48\times50\,$cm$^2$ floating strip Micromegas is studied in high energy pion beams. Its homogeneity with respect to pulse height, efficiency and spatial resolution is investigated. The good performance in high-rate background environments is demonstrated in cosmic muon tracking measurements with a $6.4\times6.4\,$cm$^2$ floating strip Micromegas under lateral irradiation with 550\,kHz 20\,MeV proton beams. A floating strip Micromegas doublet with low material budget is developed for ion tracking without limitations from multiple scattering in imaging applications during medical ion therapy. Highly efficient tracking of 20\,MeV protons at particle rates of 550\,kHz is possible. The reconstruction of the track inclination in a single detector plane is studied and optimized. A quantitative description of the systematic deviations of the method is developed, that allows for correcting the reconstructed track inclinations. The low material budget detector is tested in therapeutic proton and carbon ion beams at particle rates between 2\,MHz and 2\,GHz. No reduction of the detector up-time due to discharges is observed. The measurable pulse height decreases by only 20\% for an increase of particle rate from 2\,MHz to 80\,MHz. Efficient single particle tracking is possible at flux densities up to 7\,MHz/cm$^2$. The good multi-hit resolution of floating strip Micromegas is shown.

Abstract

Micromegas sind mikrostrukturierte Gasdetektoren, die auch bei sehr hohen Raten Teilchenspuren pr\"azise vermessen k\"onnen. Micromegas Detektoren mit resistiven Streifen und einer aktiven Fl\"ache von mehreren Quadratmeter werden die im Moment im Small Wheel Be\-reich des ATLAS Myonspektrometers eingebauten Spurdetektoren ersetzen. Der Austausch ist notwendig, um die geforderte Triggerf\"ahigkeit und die genaue Spurvermessung im Myonspektrometer auch nach der f\"ur etwa 2020 geplanten Erh\"ohung der Luminosit\"at des Large Hadron Colliders auf Werte jenseits der Designluminosit\"at von $10^{34}$\,cm$^{-2}$s$^{-1}$ sicher zu stellen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger floating strip Micromegas Detektor vorgestellt und beschrieben, dessen Verhalten von auftretenden Entladungen nur in geringem Umfang beeinflusst wird. Indem die Kupferstreifen, die die Auslesestruktur bilden, einzeln mit Hochspannung versorgt werden, k\"onnen die Auswirkungen von Entladungen auf einen kleinen Bereich des Detektors begrenzt werden. Dadurch vermindert sich der Effizienzverlust durch Entladungen im Vergleich zu normalen Micromegas um drei Gr\"o{\ss}enordnungen. Die im Detektor auftretenden physikalischen Prozesse werden untersucht und detailliert diskutiert. Mehrere unterschiedliche Detektoren werden entwickelt: Die Optimierung des floating strip Prinzips ist mithilfe eines kleinen floating strip Micromegas mit austauschbaren SMD Kondensatoren und Widerst\"anden m\"oglich. Entladungen werden mit diesem Detektor, der eine aktive Fl\"ache von $6.4\times6.4\,$cm$^2$ besitzt, ausf\"uhrlich untersucht. Eine detaillierte Detektorsimulation, erlaubt die quantitative Beschreibung der Struktur von Entladungen. Die Eigenschaften eines gro{\ss}en floating strip Micromegas mit einer aktiven Fl\"ache von $48\times50\,$cm$^2$ wird durch Bestrahlung mit hochenergetische Pionen vermessen. Dabei wird insbesondere die Homogenit\"at des Detektor im Bezug auf Pulsh\"ohe, Nachweiseffizienz und Orts\-aufl\"osung untersucht. Studien zum Nachweis von Spuren kosmischer Myonen in einem $6.4\times6.4\,$cm$^2$ gro{\ss}en floating strip Micromegas unter seitlicher Bestrahlung mit 20\,MeV Protonen bei einer Rate von 550\,kHz, demonstrieren die Leistungsf\"ahigkeit dieser Detektoren bei hohen Untergrundraten. Ein Detektormodul mit stark reduzierter Absorptionsl\"ange und einer aktiven Fl\"ache von $6.4\times6.4\,$cm$^2$, bestehend aus zwei floating strip Micromegas, wird entwickelt. Durch Verringerung der Vielfachstreuung erm\"oglicht es die genaue Spurbestimmung von niederenergetischen Ionen in medizinischen Bildgebungsverfahren. Seine Nachweiseffizienz f\"ur 20\,MeV Protonen bei einer Rate von 550\,kHz ist hoch. Ein Verfahren zur Bestimmung der Steigung von Teilchenspuren innerhalb einer Detektorlage wird untersucht und optimiert. Dabei auftretende systematische Abweichungen der rekonstruierten Spursteigungen, werden durch eine detaillierte Detektorsimulation quantitativ beschrieben und lassen sich so korrigieren. Das Verhalten dieses Detektormoduls in Proton- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen wird bei Teilchenraten zwischen 2\,MHz und 2\,GHz untersucht. Eine gleichbleibend hohe Nachweisf\"ahigkeit wird beobachtet, die mittlere Pulsh\"ohe verringert sich nur um 20\% bei einer Erh\"ohung der Teilchenrate von 2\,MHz auf 80\,MHz. Der vollst\"andige Nachweis einzelner Teilchenspuren ist bis zu einer Teilchenflussdichte von 7\,MHz/cm$^2$ m\"oglich. Die Detektoren sind in der Lage, etliche Teilchenspuren gleichzeitig nachzuweisen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Micromegas, micropattern gaseous detector, ATLAS, particle detector, tracking detector
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. April 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar