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Development of novel two-dimensional floating strip micromegas detectors with an in-depth insight into the strip signal formation
Development of novel two-dimensional floating strip micromegas detectors with an in-depth insight into the strip signal formation
Floating Strip Micromegas Detektoren sind mikrostrukturierte Gasdetektoren (MPGDs). Aufgrund kurzer Ionendriftwege und hochsegmentierter Auslesestrukturen sind diese Detektoren hocheffiziente Einzelteilchendetektoren mit sehr guter räumlicher und zeitlicher Auflösung bis zu sehr hohen Teilchenflussdichten von mehreren MHz/cm². In dieser Arbeit werden neuartige zweidimensionale Floating Strip Micromegas Detektoren mit drei Schichten Kupferstreifen entwickelt und umfassend untersucht. Unter den Floating Strips, die über hochohmige Widerstände mit Hochspannung verbunden sind, befinden sich zwei Auslesestreifenlagen, die parallel (x-Strips) und senkrecht (y-Strips) zu der Floating Strip-Schicht angeordnet sind. Um die Signalentstehung im Detektor, dessen Kopplung auf die Auslesestreifen sowie die Antwort von ladungsempfindlicher Elektronik auf die im Detektor erzeugten Stromsignale zu verstehen, wird eine detaillierte Detektorsimulation entwickelt. Die Simulationsergebnisse führen zur Einführung von y-Strips mit alternierender Streifen-breite um die Signale auf beiden Ausleselagen zu optimieren. Mit Hilfe dieser Resultate werden mehrere Anodenstrukturen entwickelt und zu Detektoren zusammengebaut. Charakteri-sierungsmessungen zeigen eine gleichzeitige Erhöhung der Signalamplitude auf beiden Auslese-lagen: um einen Faktor von 2 auf der senkrechten und um einen Faktor von 4,8 auf der parallelen Ausleselage, bezogen auf Detektordesigns mit gleichmäßiger Streifenbreite. Diese neuartigen Detektoren mit 0,5 mm und 0,3 mm Streifenperiodizität werden erfolgreich unter Bestrahlung mit 20 MeV Protonen getestet. Auf dem Detektor mit kleinerem Streifenabstand ist keine Verschlechterung der Pulshöhe auf den beiden Auslesestreifenlagen zu beobachten. Hocheffizienter Einzelteilchennachweis ist bis zur höchsten untersuchten Teilchenrate von 1 MHz möglich. Die neuartigen Detektoren mit 0,5 mm Streifenperiodizität werden in hochenergetischen und Hochraten-Myonen- und Pionstrahlen untersucht. Die räumliche Auflösung wurde bei senk-rechtem Einfall auf (79±4) µm für die x-Strips und (54±2) µm für die y-Strips bei einer Effizienz von (98,0±0,2) % bestimmt. Die räumliche Auflösung bleibt unter (152±8) µm für Einfallswinkel bis zu 40 ° mit einem 6 mm Driftbereich und einer Winkelauflösung von 2 ° für x- bzw. y-Lage mit einer Effizienz über 96 %. Die räumliche Auflösung und Effizienz wird nur minimal beeinflusst durch eine 10 %ige Pulshöhenreduzierung bei einer Teilchenflussdichte von 4,7 MHz/cm². Es wurde ein zweidimensionaler Floating Strip Micromegas Detektor mit einer aktiven Fläche von 19,2 x 19,2 cm² und niedrigem Materialbudget (0,8 % X₀) entwickelt und gebaut. In Messungen mit einer radioaktiven ⁵⁵ Fe Quelle wurde eine homogene Pulshöhe über die gesamte aktive Detektorfläche beobachtet. Floating Strip Micromegas Detektoren mit besonders geringem Materialbudget können als Einzelteilchendetektoren in ionenbasierten medizinischen Bildgebungsanwendungen eingesetzt werden, um die Bildqualität zu verbessern. Mit solchen Detektoren wird das Profil eines Protonen- und Kohlenstoffionenstrahls in einem therapeutischen Energiebereich im Heidelberger Ionentherapiezentrum gemessen. Die Strahlprofilmessung vor und nach dem Durchqueren von gewebeähnlichen Schichten eines Phantoms ermöglicht die Unterscheidung der Gewebeschichten anhand ihrer Dichte., Floating strip Micromegas detectors are one kind of micro-pattern gaseous detectors (MPGDs). Due to short ion drift paths and highly segmented readout structures, these detectors are highly efficient single particle tracking devices with very good spatial and temporal resolution up to very high particle flux densities of several MHz/cm². In this thesis novel two-dimensional floating strip Micromegas detectors with three layers of copper strips are developed and extensively studied. Two of the three layers are readout strip layers which have strips parallel (x-strips) and perpendicular (y-strips) to the floating anode strips, placed below the floating strip layer, which is connected to high-voltage via high ohmic resistors. A detailed detector simulation is developed to understand the signal formation in the detector, its coupling to the readout strips as well as the response of charge sensitive front-end electronics to the current signals generated in the detector. The simulation results lead to the introduction of striplines with non-uniform width on the y-strips as a means of improving performance. Several anode structures are developed on this idea and assembled into detectors. Characterization measurements show simultaneous signal amplitude enhancements on both readout strip layers, a factor of 2 on the perpendicular and a factor of 4.8 on the parallel readout strip layer, with respect to designs with uniform readout strip width. These novel detectors with 0.5 mm and 0.3 mm strip pitch performed perfectly under irradiation with 20 MeV protons. No pulse height degradation is observed on the smaller with respect to the larger pitch detector on either of the two readout strip layers. Highly efficient single particle tracking is possible up to the highest investigated particle rate of 1 MHz. The novel 0.5 mm strip pitch detectors are investigated in high energy and high rate muon and pion beams. Spatial resolution at perpendicular incidence of (79±4) µm for the x-layer and (54±2) µm for the y-layer are observed at an efficiency of (98,0±0,2) %. The spatial resolution stays below (152±8) µm for incidence angles up to 40 ° from a 6 mm drift space with an angular resolution of 2 ° for x- and y-layer, while the efficiency remains above 96 %. Spatial resolution and efficiency are only minimally affected by a 10 % pulse height reduction observed at a particle flux density of 4,7 MHz/cm². A low material budget two-dimensional floating strip Micromegas detector (0,8 % X₀) is developed and built with an active area of 19,2 x 19,2 cm². In measurements with a radioactive ⁵⁵ Fe source a homogeneous pulse height is observed over the full detector active surface. Floating strip Micromegas detectors especially designed with a low material budget can be included as single particle tracking devices in ion transmission-based medical imaging applications to improve the image quality. Such detectors are used to measure the profile of a proton and carbon ion beam in a therapeutic energy range at the Heidelberg Ion Therapy center. The beam profile before and after the particles traverse tissue equivalent layers of a phantom allow to distinguish tissues according to their density.
Two Dimensional Floating Strip Micromegas
Klitzner, Felix
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Klitzner, Felix (2019): Development of novel two-dimensional floating strip micromegas detectors with an in-depth insight into the strip signal formation. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Klitzner_Felix.pdf

42MB

Abstract

Floating Strip Micromegas Detektoren sind mikrostrukturierte Gasdetektoren (MPGDs). Aufgrund kurzer Ionendriftwege und hochsegmentierter Auslesestrukturen sind diese Detektoren hocheffiziente Einzelteilchendetektoren mit sehr guter räumlicher und zeitlicher Auflösung bis zu sehr hohen Teilchenflussdichten von mehreren MHz/cm². In dieser Arbeit werden neuartige zweidimensionale Floating Strip Micromegas Detektoren mit drei Schichten Kupferstreifen entwickelt und umfassend untersucht. Unter den Floating Strips, die über hochohmige Widerstände mit Hochspannung verbunden sind, befinden sich zwei Auslesestreifenlagen, die parallel (x-Strips) und senkrecht (y-Strips) zu der Floating Strip-Schicht angeordnet sind. Um die Signalentstehung im Detektor, dessen Kopplung auf die Auslesestreifen sowie die Antwort von ladungsempfindlicher Elektronik auf die im Detektor erzeugten Stromsignale zu verstehen, wird eine detaillierte Detektorsimulation entwickelt. Die Simulationsergebnisse führen zur Einführung von y-Strips mit alternierender Streifen-breite um die Signale auf beiden Ausleselagen zu optimieren. Mit Hilfe dieser Resultate werden mehrere Anodenstrukturen entwickelt und zu Detektoren zusammengebaut. Charakteri-sierungsmessungen zeigen eine gleichzeitige Erhöhung der Signalamplitude auf beiden Auslese-lagen: um einen Faktor von 2 auf der senkrechten und um einen Faktor von 4,8 auf der parallelen Ausleselage, bezogen auf Detektordesigns mit gleichmäßiger Streifenbreite. Diese neuartigen Detektoren mit 0,5 mm und 0,3 mm Streifenperiodizität werden erfolgreich unter Bestrahlung mit 20 MeV Protonen getestet. Auf dem Detektor mit kleinerem Streifenabstand ist keine Verschlechterung der Pulshöhe auf den beiden Auslesestreifenlagen zu beobachten. Hocheffizienter Einzelteilchennachweis ist bis zur höchsten untersuchten Teilchenrate von 1 MHz möglich. Die neuartigen Detektoren mit 0,5 mm Streifenperiodizität werden in hochenergetischen und Hochraten-Myonen- und Pionstrahlen untersucht. Die räumliche Auflösung wurde bei senk-rechtem Einfall auf (79±4) µm für die x-Strips und (54±2) µm für die y-Strips bei einer Effizienz von (98,0±0,2) % bestimmt. Die räumliche Auflösung bleibt unter (152±8) µm für Einfallswinkel bis zu 40 ° mit einem 6 mm Driftbereich und einer Winkelauflösung von 2 ° für x- bzw. y-Lage mit einer Effizienz über 96 %. Die räumliche Auflösung und Effizienz wird nur minimal beeinflusst durch eine 10 %ige Pulshöhenreduzierung bei einer Teilchenflussdichte von 4,7 MHz/cm². Es wurde ein zweidimensionaler Floating Strip Micromegas Detektor mit einer aktiven Fläche von 19,2 x 19,2 cm² und niedrigem Materialbudget (0,8 % X₀) entwickelt und gebaut. In Messungen mit einer radioaktiven ⁵⁵ Fe Quelle wurde eine homogene Pulshöhe über die gesamte aktive Detektorfläche beobachtet. Floating Strip Micromegas Detektoren mit besonders geringem Materialbudget können als Einzelteilchendetektoren in ionenbasierten medizinischen Bildgebungsanwendungen eingesetzt werden, um die Bildqualität zu verbessern. Mit solchen Detektoren wird das Profil eines Protonen- und Kohlenstoffionenstrahls in einem therapeutischen Energiebereich im Heidelberger Ionentherapiezentrum gemessen. Die Strahlprofilmessung vor und nach dem Durchqueren von gewebeähnlichen Schichten eines Phantoms ermöglicht die Unterscheidung der Gewebeschichten anhand ihrer Dichte.

Abstract

Floating strip Micromegas detectors are one kind of micro-pattern gaseous detectors (MPGDs). Due to short ion drift paths and highly segmented readout structures, these detectors are highly efficient single particle tracking devices with very good spatial and temporal resolution up to very high particle flux densities of several MHz/cm². In this thesis novel two-dimensional floating strip Micromegas detectors with three layers of copper strips are developed and extensively studied. Two of the three layers are readout strip layers which have strips parallel (x-strips) and perpendicular (y-strips) to the floating anode strips, placed below the floating strip layer, which is connected to high-voltage via high ohmic resistors. A detailed detector simulation is developed to understand the signal formation in the detector, its coupling to the readout strips as well as the response of charge sensitive front-end electronics to the current signals generated in the detector. The simulation results lead to the introduction of striplines with non-uniform width on the y-strips as a means of improving performance. Several anode structures are developed on this idea and assembled into detectors. Characterization measurements show simultaneous signal amplitude enhancements on both readout strip layers, a factor of 2 on the perpendicular and a factor of 4.8 on the parallel readout strip layer, with respect to designs with uniform readout strip width. These novel detectors with 0.5 mm and 0.3 mm strip pitch performed perfectly under irradiation with 20 MeV protons. No pulse height degradation is observed on the smaller with respect to the larger pitch detector on either of the two readout strip layers. Highly efficient single particle tracking is possible up to the highest investigated particle rate of 1 MHz. The novel 0.5 mm strip pitch detectors are investigated in high energy and high rate muon and pion beams. Spatial resolution at perpendicular incidence of (79±4) µm for the x-layer and (54±2) µm for the y-layer are observed at an efficiency of (98,0±0,2) %. The spatial resolution stays below (152±8) µm for incidence angles up to 40 ° from a 6 mm drift space with an angular resolution of 2 ° for x- and y-layer, while the efficiency remains above 96 %. Spatial resolution and efficiency are only minimally affected by a 10 % pulse height reduction observed at a particle flux density of 4,7 MHz/cm². A low material budget two-dimensional floating strip Micromegas detector (0,8 % X₀) is developed and built with an active area of 19,2 x 19,2 cm². In measurements with a radioactive ⁵⁵ Fe source a homogeneous pulse height is observed over the full detector active surface. Floating strip Micromegas detectors especially designed with a low material budget can be included as single particle tracking devices in ion transmission-based medical imaging applications to improve the image quality. Such detectors are used to measure the profile of a proton and carbon ion beam in a therapeutic energy range at the Heidelberg Ion Therapy center. The beam profile before and after the particles traverse tissue equivalent layers of a phantom allow to distinguish tissues according to their density.