Development of an inverted ring imaging Cherenkov Micromegas

Rinnagel, Maximilian Paul (2023): Development of an inverted ring imaging Cherenkov Micromegas. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Der Cherenkov-Effekt beschreibt die Erzeugung von Photonen verteilt entlang eines Kegels um geladene Teilchen, die ein Medium schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durchqueren. Durch die Kenntnis des Impulses der geladenen Teilchen ermöglicht der Cherenkov-Effekt die Identifizierung der geladenen Teilchen. Die Identifizierung von Teilchen ist einer der Hauptgründe für die Nutzung des Cherenkov-Effekts in großen Detektorsystemen, die für die Hochenergiephysik gebaut werden. Detektorsysteme wie LHCb am Large Hadron Collider am CERN und BELLE II am KEKb nutzen Cherenkov-Detektoren zur Teilchenidentifikation. In der vorliegenden Arbeit soll der Impuls eines bekannten Teilchens durch die Messung seines Cherenkov-Kegels rekonstruiert werden. Ein solcher Detektor, der als invertierter RICH bezeichnet wird, hat potenzielle Anwendungen in der Strahldiagnostik für die Hochenergiephysik. In dieser Arbeit wird die Entwicklung, Konstruktion und Charakterisierung des Prototyps eines invertierten RICH-Detektors vorgestellt. Der Detektor verwendet einen Lithiumfluoridkristall (Durchmesser 50 mm und Dicke 20 mm mit einem hohen Brechungsindex im UV Bereich). Die erzeugten Cherenkov-Photonen werden in einer Cäsiumjodid (CsI)-Photokathode in Elektronen umgewandelt, nachdem sie durch eine Chromschicht (Cr) geleitet wurden. Das Signal wird von einem 10x10 cm 2 Widerstandsstreifen Micromegas erfasst. Eine applizierte Hochspannung leitet die Cherenkov-Elektronen durch den Driftbereich des Micromegas, während das geladene Teilchen Primärelektronen in dem gasgefüllten Detektor erzeugt. In dieser Arbeit wurden verschiedene Radiator- und Photokathodenmaterialien untersucht und mit Geant4 erforscht. LiF und MgF 2 waren aufgrund ihres großen Brechungsindexes, der zu einer hohen Photonenausbeute führt, die am besten geeigneten Radiator für Prototypstudien. CsI war aufgrund seiner hohen Quanteneffizienz von 9 % im Maximum der geeignetste Kandidat für die Photokathode. Außerdem ist die CsI-Photokathode im Vergleich zu z.B. Bialkali einfacher mit gasförmigen Detektoren zu verwenden. Detaillierte Simulationen des Detektorprototyps in Garfield++ wurden mit Messungen mit dem invertierten RICH-Prototyp in einem Detektorhodoskop verglichen. Es werden homogene Signale erzeugt und detektiert, die den aktiven Bereich der Photokathode vollständig abdecken. Aufgrund der Kegelform des Cherenkovsignals wurde eine signifikante Überlappung zwischen dem Myonencluster und allen Photonenclustern erwartet und beobachtet. Die typische Zeitsignatur für Cherenkov Photonen und Myonensignale ist sichtbar. Es wurde eine Technik entwickelt, um beide Signale zu trennen. Die rekonstruierten Myonensignale und die Cherenkov-Photonen sind für die gemessenen und simulierten Daten des gesamten Detektorprototyps gut getrennt. Schließlich wurden Rekonstruktionstechniken getestet, die für künftige Iterationen des Detektors weiterentwickelt und verfeinert werden sollen. Ein analytischer Fit des Cherenkov-Kegels beschreibt einen wohldefinierten Radius, der besonders gut für eine Ansammlung von einfallenden Myonen unter geraden und bis 25° zur Detektorebene geneigten Teilchenspuren. Dieser Fit wurde anhand von Daten getestet, die mit dem Hodoskop des Detektors gemessen wurden und die mit dem theoretischen und simulierten Radius gut übereinstimmen. Trotz einiger betrieblicher Instabilitäten hinsichtlich der Clusterladung zeigte der Detektor eine angemessene räumliche Auflösung und ermöglichte die Trennung des Photonencluster vom Myonencluster. Es werden mögliche Optimierungen vorgeschlagen, um die räumliche Rekonstruktion von gleichzeitig einfallenden Teilchen zu verbessern, die Photodetektionseffizienz des Detektors zu erhöhen und den detektierbaren kinetischen Energiebereich anzupassen.

Abstract

The Cherenkov effect describes the creation of well-defined photon signatures by charged particles traversing a medium faster than the speed of light of the medium. By knowing the momentum of the charged particles, the Cherenkov effect allows the identification of the charged particles. Particle identification is one of the primary reasons for using the Cherenkov effect in large detector systems built for high energy physics. Detector systems such as LHCb at the Large Hadron Collider at CERN and BELLE II at KEKb employ Cherenkov detectors for particle identification. In reverse, this thesis aims to reconstruct a known particle’s momentum by measuring its Cherenkov cone. Such a detector, called inverted RICH, has potential applications in beam diagnostics for high energy physics. This work presents the development, construction, and characterization of the prototype detector for an inverted RICH. The detector uses a Lithium Fluoride crystal (diameter 50 mm, and thickness 20 mm with a high refractive index in the UV). The Cherenkov photons created are converted to electrons in a cesium iodide (CsI) photocathode after being transmitted through a Chromium layer (Cr). The signal is detected by a 10x10 cm 2 resistive strip Micromegas. A high voltage guides the Cherenkov electrons through the Micromegas drift region of the detector while the charged particle creates primary electrons inside the gas-filled detector. In this thesis, different radiator and photocathode materials have been studied and explored using the Geant4 simulation toolkit. LiF and MgF 2 were the most suited radiators for initial studies due to their sizeable refractive index leading to a large photon yield. CsI was the most suitable candidate for the photocathode due to its high peak quantum efficiency of 9 %. Also, the CsI photocathode is easier to use with gaseous detectors compared to, e.g. bialkali. Detailed simulations in Garfield++ of the detector prototype were compared to measurements with the inverted RICH prototype inside a tracking detector hodoscope. Homogeneous signals are created and detected, fully covering the active area of the photocathode. Due to the cone shape of the Cherenkov signal, a significant overlap between the muon cluster and all Cherenkov photon clusters was expected and observed. The typical time signature for Cherenkov photons and muon signals is visible. A technique was developed to separate both signals. Reconstructed muon signals and the Cherenkov photons are well separated for the measured and simulated data of the entire detector prototype. Finally, reconstruction techniques were tested that will be further developed and refined for future iterations of the detector. An analytic fit of the Cherenkov cone describes a well-defined radius working especially well for an accumulation of incident muons perpendicular and inclined up to 25° to the detector plane. This fit was also tested on measured data sampled with the detector hodoscope, which strongly agrees with the theoretical and simulated radius. Despite some operational instabilities in cluster charge, the detector showed reasonable spatial resolution and allowed for the separation of the photon from the muon signal. Possible optimizations are proposed to improve the spatial reconstruction of multiple incident particles, enhance the detector’s photodetection efficiency, and adjust the detectable kinetic energy range to eliminate ambiguities.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cherenkov Detector, Micromegas, Micropattern Gaseous Detector
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 1. August 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar