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Series calibration of segmented and multi-layered micromegas modules for ATLAS
Series calibration of segmented and multi-layered micromegas modules for ATLAS
Der große Hadronen-Ringbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrum bei Genf wird in den nächsten Jahren stetig verbessert. Dadurch werden mehr Teilchenkollisionen bei den verschiedenen Experimenten am Beschleuniger stattfinden. Diese erhöhte Rate führt zu einer Verschlechterung der Effizienz von bisher genutzten Detektortechnologien. Um weiterhin bei hoher Effizienz die Kollisionen rekonstruieren zu können werden anfällige Detektorsysteme ausgetauscht. Beim größten Experiment, dem ATLAS, ist vorgesehen, die inneren Endkappen des Myon-Spektrometer zu ersetzen. Die Spurdetektoren der neuen Endkappen werden Micromegas-Detektoren bilden. Diese werden als vierlagige Module mit aktiven Flächen von mehr als 2 m 2 gebaut. Micromegas sind Gasdetektoren mit mikrostrukturierten Streifenanoden zur Teilchen-Durchgangsort-Bestimmung. Die Module werden von Gruppen in verschiedenen Ländern und an mehreren Universitäten gebaut. Ein Moduletyp wird an der LMU in Garching bei München fertiggestellt und in Betrieb genommen. Technologiebedingt müssen die Anoden der Module in drei Segmente parallel zu den Streifen aufgeteilt werden. In dieser Arbeit wird die Vermessung dieser Micromegas-Module mit kosmischen Myonen beschrieben. Die Vermessung soll zur Kalibration der dreigeteilten Anode als auch zur Sicherstellung der Betriebstauglichkeit der Module dienen. Als Referenzsystem werden Driftrohrkammern verwendet, zu deren Drähten die Streifen der Module parallel ausgerichtet werden. Zum Starten der Signalauslese als auch zur Segmentierung entlang der Drähte dienen Szintillator-Blöcke. Dieses Referenzsystem wird zunächst untersucht auf geometrische Abweichungen sowie auf die Fähigkeiten der Spurrekonstruktion. Als Spurkammern sollen auch die Micromegas-Detektoren bei hoher Effizienz möglichst präzise Spuren rekonstruieren. Daher werden die Einflüsse von elektronischem Rauschen als auch der Signalhöhe auf die Effizienz untersucht. Ein in Garching gebautes Modul besitzt mehr als 12000 Auslesekanäle. Zur Bestimmmung von problematischen Kanälen werden verschiedene Methodiken vorgestellt. Effekte der verwendeten Ausleseelektronik auf das Kanalrauschen und die Signalhöhe werden betrachtet. Durch Produktionstoleranzen variiert die Größe der Signalentstehungszone. Die Auswirkung dieser Schwankung auf die mittlere Signalhöhe wird auf 6 %/μm bestimmt. Für drei verschiedene Detektor-Gas-Mischungen von Argon und Kohlenstoffdioxid werden die Signalhöhenabhängigkeiten von der angelegten Spannung diskutiert. Es zeigt sich, dass ein höherer Anteil von Kohlenstoffdioxid es erlaubt, die Module mit größeren Spannungen und damit größeren Signalen zu betreiben. Dies führt ebenso zu besseren Effizienzen, da größere Signale besser von Rauschen unterschieden werden können. Der nachteilige Effekt von elektronischem Rauschen auf die Effizienz wird diskutiert. Zur Kalibration der dreigeteilten Anode werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Ein optisches Verfahren rekonstruiert die Positionen des Anodenmaterials an den Rändern. Hierzu wird eine Dreiachsen-Maschine in Kombination mit einer Kamera verwendet. Die Abweichungen der Maschinen-Bewegung vom Soll wird vermessen und ein Vorgehen zur Korrektur beschrieben. Ein Verfahren zur Auswertung der Bilder von Präzisions-Markierungen wird entwickelt. Die Kombination dieser Methoden wird mit Referenz-Messungen verglichen. Der Vergleich liefert Standard-Abweichungen unter 20 μm. Der zweite Ansatz rekonstruiert die Abweichungen der Streifengeometrie durch die Abweichungen der Positionsrekonstruktion zu den Spuren im Referenzsystem. Rotationen, Verschiebungen als auch Abweichungen des Streifenabstandes können dadurch bestimmt werden. Zudem wurde bei vielen Segmenten eine U-förmige Verformung der Streifen rekonstruiert. Diese erklärt sich aus der Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Anodenträgermaterials. Die Verformung erschwert den Vergleich der beiden Ansätze, da die Geometrie extrapoliert werden muss. Nichts desto weniger konnte auf einem qualitativen Niveau eine Korrelation gefunden werden. Zur Durchgangsort-Bestimmung und Spurrekonstruktion werden unterschiedliche Methoden für einzelne Lagen untersucht. Ein signalhöhen-gewichtetes Verfahren zeigt passable Ergebnisse von Auflösungen um 100 μm bei senkrechtem Einfall. Die starke Abhängigkeit der Auflösung von der Spursteigung motiviert die Auswertung der Signalzeit. Hierzu werden die Zeiten von drei Evaluationspunkten verglichen. Ebenso werden Effekte durch die Korrektur von kapazitiven Signalkopplungen untersucht. Durch die Breite der Zeitverteilungen ist es möglich die Driftgeschwindigkeit der Elektronen zu bestimmen. Diese Zeiten werden zur Spurrekonstruktion im 5 mm großen Driftbereich verwendet. Die Positionsrekonstruktion, ähnlich einer Spuren-Drift-Kammer, verbessert die Auflösung für Einfallswinkel größer 15°. Dies geschieht nicht in dem Maße wie durch Teststrahl-Messungen erwartet. Ein drittes Verfahren, welches die Signalhöhen und Zeit kombiniert, zeigt Verbesserungen für alle Winkel. Zwei der vier Lagen haben gegenläufig um 1.5° gedrehte Streifen innerhalb der aktiven Fläche. Dies ermöglicht die Rekonstruktion der Position des Teilchen-Durchgangs entlang der parallelen Streifen. Die Abhängigkeiten dieser Rekonstruktion von der Spur-Inklination werden untersucht. Dadurch zeigt sich, dass die Skalierung der Position aus den Szintillator-Blöcken um 2% falsch ist. Die Rekonstruktion der Spur durch Verwendung aller vier Lagen wird zuletzt diskutiert., The Large Hadron Collider at the European Organization for Nuclear Research will be upgraded in the next years. Therefore more particle-collisions will happen at the experiments around the accelerator. This higher hit-rate leads to a degradation of the efficiency for some detector technologies used so far. In order to reconstruct the collisions still with high efficiency, susceptible detector-systems will be exchanged. At the largest experiment, ATLAS, it is foreseen to replace the inner-end-caps of the muon-spectrometer. The tracking-detectors of the new end-caps will be Micromegas detectors. Modules of four active layers with active areas of more than 2 square-meter are currently being assembled. Micromegas are gas detectors with a micro-structured strip-anode for the reconstruction of the position of particle-incidents. The modules are built in several countries and at several universities. One type of module is completed and commissioned at the LMU in Garching near Munich. Production-related the anodes of these detectors are segmented into three parts parallel to the strips. In this thesis, the surveying of these modules with cosmic muons is described. The measurements should be used for the calibration of the threefold anode and ensure the operational reliability. As reference system drift-tube-chambers are used. During measurements the strips are oriented parallel to the wires of the chambers. Scintillator blocks are used for triggering the signal-readout and as coarse segmentation along the wires. In a first step systematics and capabilities of this system are discussed. As tracking-detectors the efficiency and resolution of the Micromegas should be excellent. Therefore effects on the efficiency of electrical noise and variation of the signal-height are discussed. A module built in Garching has more than 12000 readout-channels. Multiple approaches for the determination of problematic channels are discussed. Due to production-tolerances the size of the signal-formation-region varies. The effect of these variations on the mean signal-height is determined to be in the order of 6 %/μm. For three mixtures of argon and carbon dioxide the signal-height-dependencies on the applied voltage are discussed. It is shown that a higher fraction of carbon dioxide enables the usage of higher voltages and therefore higher signals are produced. Accordingly this leads to better efficiencies, due to the better distinguishability with respect to noise. The disadvantageous effects of electronic noise on the efficiency are also discussed. For the calibration of the threefold anode, two approaches are followed. An optical surveying is used for the reconstruction of positions on the anode-material at the edges. A coordinate measuring machine combined with a camera is used for this. The deviations of the machine-movement are measured and a procedure for correction is given. For the evaluation of the camera-images, software for the detection and fit of precision markers is developed. The combination of these methods are compared to reference-measurements. The standard deviations of differences between these two measurements are below 20 μm. In a second approach the deviations of the strip-pattern to the nominal-design is reconstructed using tracks of the reference system. Rotations, shifts and also deviations to the nominal strip-distances can be reconstructed. Additionally an U-like shape of the strips is reconstructed for many anode-segments. This can be explained by the deformations of the anode-support-material due to humidity. The deformations aggravates the comparison of the two approaches, as the reconstruction has to be extrapolated. None the less on a qualitative-level a good correlation is found. For incident-position and track reconstruction several methods for single layers are investigated. A signal-height-weighted approach achieves reasonable results of about 100 μm for normal incident. The strong dependence onthe track-inclination motivates the evaluation of the signal-time. Therefore the times of three signal-evaluation-points are compared. Also effects due to the correction of capacitive-coupled signals are investigated. Using the width of the time-distributions the drift-velocity of the electrons is reconstructed. Also the track of the incident particle is reconstructed using these times. The position-reconstruction similar to a Time-Projection-Chamber improves the resolution for incident-angles of more than 15°. The improvement is not as large as expected from test-beam-measurements. A third approach, which combines the signal-height and time, reconstructs better resolutions for all angles. Two of the four layers have strips oppositely rotated by 1.5° within the active plane. This enables the reconstruction of the incident-position along the parallel strip-layers. The dependencies of the reconstruction on the track-inclination is investigated. A wrong scaling of the position reconstructed by the scintillator-blocks is determined to be about 2%. At last the track reconstruction using all four layers is discussed.
CERN, LHC, ATLAS, NSW, micropattern gaseous detectors, Micromegas, CRF, cosmic muons, calibration, CMM, OpenCV, tracking
Herrmann, Maximilian Georg
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Herrmann, Maximilian Georg (2019): Series calibration of segmented and multi-layered micromegas modules for ATLAS. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Der große Hadronen-Ringbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrum bei Genf wird in den nächsten Jahren stetig verbessert. Dadurch werden mehr Teilchenkollisionen bei den verschiedenen Experimenten am Beschleuniger stattfinden. Diese erhöhte Rate führt zu einer Verschlechterung der Effizienz von bisher genutzten Detektortechnologien. Um weiterhin bei hoher Effizienz die Kollisionen rekonstruieren zu können werden anfällige Detektorsysteme ausgetauscht. Beim größten Experiment, dem ATLAS, ist vorgesehen, die inneren Endkappen des Myon-Spektrometer zu ersetzen. Die Spurdetektoren der neuen Endkappen werden Micromegas-Detektoren bilden. Diese werden als vierlagige Module mit aktiven Flächen von mehr als 2 m 2 gebaut. Micromegas sind Gasdetektoren mit mikrostrukturierten Streifenanoden zur Teilchen-Durchgangsort-Bestimmung. Die Module werden von Gruppen in verschiedenen Ländern und an mehreren Universitäten gebaut. Ein Moduletyp wird an der LMU in Garching bei München fertiggestellt und in Betrieb genommen. Technologiebedingt müssen die Anoden der Module in drei Segmente parallel zu den Streifen aufgeteilt werden. In dieser Arbeit wird die Vermessung dieser Micromegas-Module mit kosmischen Myonen beschrieben. Die Vermessung soll zur Kalibration der dreigeteilten Anode als auch zur Sicherstellung der Betriebstauglichkeit der Module dienen. Als Referenzsystem werden Driftrohrkammern verwendet, zu deren Drähten die Streifen der Module parallel ausgerichtet werden. Zum Starten der Signalauslese als auch zur Segmentierung entlang der Drähte dienen Szintillator-Blöcke. Dieses Referenzsystem wird zunächst untersucht auf geometrische Abweichungen sowie auf die Fähigkeiten der Spurrekonstruktion. Als Spurkammern sollen auch die Micromegas-Detektoren bei hoher Effizienz möglichst präzise Spuren rekonstruieren. Daher werden die Einflüsse von elektronischem Rauschen als auch der Signalhöhe auf die Effizienz untersucht. Ein in Garching gebautes Modul besitzt mehr als 12000 Auslesekanäle. Zur Bestimmmung von problematischen Kanälen werden verschiedene Methodiken vorgestellt. Effekte der verwendeten Ausleseelektronik auf das Kanalrauschen und die Signalhöhe werden betrachtet. Durch Produktionstoleranzen variiert die Größe der Signalentstehungszone. Die Auswirkung dieser Schwankung auf die mittlere Signalhöhe wird auf 6 %/μm bestimmt. Für drei verschiedene Detektor-Gas-Mischungen von Argon und Kohlenstoffdioxid werden die Signalhöhenabhängigkeiten von der angelegten Spannung diskutiert. Es zeigt sich, dass ein höherer Anteil von Kohlenstoffdioxid es erlaubt, die Module mit größeren Spannungen und damit größeren Signalen zu betreiben. Dies führt ebenso zu besseren Effizienzen, da größere Signale besser von Rauschen unterschieden werden können. Der nachteilige Effekt von elektronischem Rauschen auf die Effizienz wird diskutiert. Zur Kalibration der dreigeteilten Anode werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Ein optisches Verfahren rekonstruiert die Positionen des Anodenmaterials an den Rändern. Hierzu wird eine Dreiachsen-Maschine in Kombination mit einer Kamera verwendet. Die Abweichungen der Maschinen-Bewegung vom Soll wird vermessen und ein Vorgehen zur Korrektur beschrieben. Ein Verfahren zur Auswertung der Bilder von Präzisions-Markierungen wird entwickelt. Die Kombination dieser Methoden wird mit Referenz-Messungen verglichen. Der Vergleich liefert Standard-Abweichungen unter 20 μm. Der zweite Ansatz rekonstruiert die Abweichungen der Streifengeometrie durch die Abweichungen der Positionsrekonstruktion zu den Spuren im Referenzsystem. Rotationen, Verschiebungen als auch Abweichungen des Streifenabstandes können dadurch bestimmt werden. Zudem wurde bei vielen Segmenten eine U-förmige Verformung der Streifen rekonstruiert. Diese erklärt sich aus der Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Anodenträgermaterials. Die Verformung erschwert den Vergleich der beiden Ansätze, da die Geometrie extrapoliert werden muss. Nichts desto weniger konnte auf einem qualitativen Niveau eine Korrelation gefunden werden. Zur Durchgangsort-Bestimmung und Spurrekonstruktion werden unterschiedliche Methoden für einzelne Lagen untersucht. Ein signalhöhen-gewichtetes Verfahren zeigt passable Ergebnisse von Auflösungen um 100 μm bei senkrechtem Einfall. Die starke Abhängigkeit der Auflösung von der Spursteigung motiviert die Auswertung der Signalzeit. Hierzu werden die Zeiten von drei Evaluationspunkten verglichen. Ebenso werden Effekte durch die Korrektur von kapazitiven Signalkopplungen untersucht. Durch die Breite der Zeitverteilungen ist es möglich die Driftgeschwindigkeit der Elektronen zu bestimmen. Diese Zeiten werden zur Spurrekonstruktion im 5 mm großen Driftbereich verwendet. Die Positionsrekonstruktion, ähnlich einer Spuren-Drift-Kammer, verbessert die Auflösung für Einfallswinkel größer 15°. Dies geschieht nicht in dem Maße wie durch Teststrahl-Messungen erwartet. Ein drittes Verfahren, welches die Signalhöhen und Zeit kombiniert, zeigt Verbesserungen für alle Winkel. Zwei der vier Lagen haben gegenläufig um 1.5° gedrehte Streifen innerhalb der aktiven Fläche. Dies ermöglicht die Rekonstruktion der Position des Teilchen-Durchgangs entlang der parallelen Streifen. Die Abhängigkeiten dieser Rekonstruktion von der Spur-Inklination werden untersucht. Dadurch zeigt sich, dass die Skalierung der Position aus den Szintillator-Blöcken um 2% falsch ist. Die Rekonstruktion der Spur durch Verwendung aller vier Lagen wird zuletzt diskutiert.

Abstract

The Large Hadron Collider at the European Organization for Nuclear Research will be upgraded in the next years. Therefore more particle-collisions will happen at the experiments around the accelerator. This higher hit-rate leads to a degradation of the efficiency for some detector technologies used so far. In order to reconstruct the collisions still with high efficiency, susceptible detector-systems will be exchanged. At the largest experiment, ATLAS, it is foreseen to replace the inner-end-caps of the muon-spectrometer. The tracking-detectors of the new end-caps will be Micromegas detectors. Modules of four active layers with active areas of more than 2 square-meter are currently being assembled. Micromegas are gas detectors with a micro-structured strip-anode for the reconstruction of the position of particle-incidents. The modules are built in several countries and at several universities. One type of module is completed and commissioned at the LMU in Garching near Munich. Production-related the anodes of these detectors are segmented into three parts parallel to the strips. In this thesis, the surveying of these modules with cosmic muons is described. The measurements should be used for the calibration of the threefold anode and ensure the operational reliability. As reference system drift-tube-chambers are used. During measurements the strips are oriented parallel to the wires of the chambers. Scintillator blocks are used for triggering the signal-readout and as coarse segmentation along the wires. In a first step systematics and capabilities of this system are discussed. As tracking-detectors the efficiency and resolution of the Micromegas should be excellent. Therefore effects on the efficiency of electrical noise and variation of the signal-height are discussed. A module built in Garching has more than 12000 readout-channels. Multiple approaches for the determination of problematic channels are discussed. Due to production-tolerances the size of the signal-formation-region varies. The effect of these variations on the mean signal-height is determined to be in the order of 6 %/μm. For three mixtures of argon and carbon dioxide the signal-height-dependencies on the applied voltage are discussed. It is shown that a higher fraction of carbon dioxide enables the usage of higher voltages and therefore higher signals are produced. Accordingly this leads to better efficiencies, due to the better distinguishability with respect to noise. The disadvantageous effects of electronic noise on the efficiency are also discussed. For the calibration of the threefold anode, two approaches are followed. An optical surveying is used for the reconstruction of positions on the anode-material at the edges. A coordinate measuring machine combined with a camera is used for this. The deviations of the machine-movement are measured and a procedure for correction is given. For the evaluation of the camera-images, software for the detection and fit of precision markers is developed. The combination of these methods are compared to reference-measurements. The standard deviations of differences between these two measurements are below 20 μm. In a second approach the deviations of the strip-pattern to the nominal-design is reconstructed using tracks of the reference system. Rotations, shifts and also deviations to the nominal strip-distances can be reconstructed. Additionally an U-like shape of the strips is reconstructed for many anode-segments. This can be explained by the deformations of the anode-support-material due to humidity. The deformations aggravates the comparison of the two approaches, as the reconstruction has to be extrapolated. None the less on a qualitative-level a good correlation is found. For incident-position and track reconstruction several methods for single layers are investigated. A signal-height-weighted approach achieves reasonable results of about 100 μm for normal incident. The strong dependence onthe track-inclination motivates the evaluation of the signal-time. Therefore the times of three signal-evaluation-points are compared. Also effects due to the correction of capacitive-coupled signals are investigated. Using the width of the time-distributions the drift-velocity of the electrons is reconstructed. Also the track of the incident particle is reconstructed using these times. The position-reconstruction similar to a Time-Projection-Chamber improves the resolution for incident-angles of more than 15°. The improvement is not as large as expected from test-beam-measurements. A third approach, which combines the signal-height and time, reconstructs better resolutions for all angles. Two of the four layers have strips oppositely rotated by 1.5° within the active plane. This enables the reconstruction of the incident-position along the parallel strip-layers. The dependencies of the reconstruction on the track-inclination is investigated. A wrong scaling of the position reconstructed by the scintillator-blocks is determined to be about 2%. At last the track reconstruction using all four layers is discussed.