Photon detection by converter layers using a micro-pattern gaseous detector

Penski, Katrin Elisabeth (2024): Photon detection by converter layers using a micro-pattern gaseous detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Micro-Pattern Gaseous Detectors (MPGDs) have an excellent spatial and temporal resolution. They are high rate capable, cost-effective and scalable. Therefore, they are used in experiments like ATLAS for tracking of charged particles. Due to the low atomic number (Z<20) and density of the standard detector gas, MPGDs exhibit a poor detection efficiency for photons. For many applications in medical physics, like imaging or PET, an efficient photon detection with high spatial resolution is essential. To exploit the advantages of MPGDs for photon detection, this thesis aims to improve their photon detection efficiency while providing precise position information using a GEM (Gaseous Electron Multiplier) detector, a type of MPGDs. The photon interaction cross-section increases for higher-Z materials in the keV energy range, where the photoelectric effect dominates. The novel approach is to arrange the converter layers in the drift region of the GEM detector in a stacked configuration perpendicular to its readout plane. This allows for multiple layers, each increasing the photon interaction probability. The converter layers are made of an insulating carrier material with copper strips (Z=29) on both sides. The photon conversion is investigated exemplarily using a 59.5 keV X-ray source. Photoelectrons exiting the converter material into the gas are guided downwards by an electric field into the active area of the GEM detector, providing 2D position. In case this 2D position allows for the interaction position on the converter layer to be unambiguously reproduced with high accuracy, the direction of a point source can be reconstructed. Both, perpendicular and tilted configurations using 5 converter layers are investigated, whereby the tilted configuration is used for studying position reconstruction methods. A detailed simulation, including Geant4, ANSYS and Garfield++, is established to understand the physical processes in the converter layers and the detector. Simulation and measurement provide good agreement regarding the electron drift under various conditions of the electric guiding field, the deposited charge and detection efficiency when using converter layers of varying thickness and insulating materials. By optimizing the material properties, the detection efficiency is improved by a factor of 2 to (1.38±0.21) % compared to having no layers, with thin insulating material layers being favorable. The analysis of the simulation results shows the interaction processes influencing the detection efficiency. Instead of directly detecting the photoelectrons produced in copper, 8 keV photons are emitted due to electron rearrangement following the photoelectric effect. This photon interacts with the gas creating an electron-ion pair. Unfortunately, the detected electrons carry no more information about the initial interaction position or the direction of the point source, since the 8 keV photon is emitted isotropically. This work improves the detection efficiency for photons by material optimization of the converter layers and provides a detailed understanding of their working principle. The detection efficiency for 511 keV photons, like in PET, in the GEM detector with converter layers is measured using a coincidence measurement setup including scintillation detectors. A 511 keV photon conversion efficiency of 0.31 % is determined with 9 converter layers, which is similar to the expected value from the simulation and about twice as high compared to a setup without converter layers. Beyond that, new front-end electronics for the ATLAS detector was investigated. For the High Luminosity upgrade of the LHC, the readout electronics of the Monitored Drift Tube (MDT) chambers in the ATLAS detector will be replaced to ensure flawless performance at the increased collision rates. This includes a new Amplifier-Shaper-Discriminator (ASD2) chip. Its performance is investigated, and a testing procedure is developed to identify the best-performing ASD2 chips for the integration.

Abstract

Mikrostrukturierte Gasdetektoren (MPGDs) weisen eine hervorragende räumliche und zeitliche Auflösung und eine hohe Ratenfestigkeit auf, sind kostengünstig und skalierbar. Sie werden in Experimenten wie ATLAS zur Spurrekonstruktion geladener Teilchen eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Ordnungszahl (Z<20) und Dichte des Standard-Detektorgases weisen MPGDs eine geringe Detektionseffizienz für Photonen auf. In der medizinischen Diagnostik, wie Bildgebung oder PET, ist eine effiziente Photonendetektion mit hoher räumlicher Auflösung entscheidend. Um die Vorteile von MPGDs für die Photonendetektion zu nutzen, soll diese Arbeit ihre Photonendetektionseffizienz verbessern und gleichzeitig präzise Positionsinformationen liefern. Dazu wird ein GEM-Detektor (Gaseous Electron Multiplier) genutzt, eine Art von MPGDs. Der Wechselwirkungsquerschnitt von Photonen nimmt bei Materialien mit höherem Z im keV-Energiebereich zu, in dem der photoelektrische Effekt dominiert. Das neuartige Konzept besteht darin, Konverterschichten mit höherem Z im Driftbereich des GEM-Detektors in einer gestapelten Konfiguration senkrecht zu seiner Ausleseebene anzuordnen. Dies ermöglicht die Verwendung mehrerer Schichten, von denen jede die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit erhöht. Die Konverterschichten bestehen aus einem isolierenden Trägermaterial mit Kupferstreifen (Z=29) und werden exemplarisch mit 59,5 keV Photonen untersucht. Die aus dem Konvertermaterial in das Gas austretenden Photoelektronen werden durch ein elektrisches Feld nach unten in den aktiven Bereich des GEM-Detektors geleitet, wo ihre 2D-Position bestimmt wird. Wenn aus dieser 2D-Position die Interaktionsposition auf der Konverterschicht mit hoher Genauigkeit eindeutig reproduziert werden kann, ermöglicht dies die Rekonstruktion der Richtung der Punktquelle. Es werden senkrechte und geneigte Anordnungen mit je 5 Konverterschichten verwendet, wobei mit der geneigten Konfiguration Methoden zur Positionsrekonstruktion untersucht werden. Mit detaillierten Simulationen (Geant4, ANSYS und Garfield++) werden die physikalischen Prozesse in den Schichten und im Detektor analysiert. Simulation und Messung zeigen eine gute Übereinstimmung der Elektronenbewegung bei verschiedenen elektrischen Feldern, der deponierten Ladung und der Detektionseffizienz unter Verwendung von Konverterschichten mit unterschiedlicher Dicke und Isoliermaterialien. Durch Materialoptimierung wird die Detektionseffizienz im Vergleich zu einem Aufbau ohne Schichten um den Faktor 2 auf (1,38±0,21) % verbessert, wobei dünne Isolationsschichten bevorzugt werden. Die ablaufenden Interaktionsprozesse der Simulation zeigt: anstatt der direkten Detektion des in Kupfer erzeugten Photoelektrons, ist der dominante detektierte Effekt die Emission eines 8 keV Photons, das durch die Elektronenumordnung nach dem photoelektrischen Effekt entsteht. Dieses Photon interagiert mit dem Gas und erzeugt ein Elektron-Ionen-Paar. Das detektierte Elektron enthält keine Informationen über die anfängliche Interaktionsposition oder die Richtung der Punktquelle, da das 8 keV Photon isotrop emittiert wird. In dieser Arbeit wird die Detektionseffizienz für Photonen durch Materialoptimierung der Konverterschichten verbessert und ein detailliertes Verständnis ihrer Funktion geschaffen. Die Detektionseffizienz des GEM-Detektors mit Konverterschichten für 511 keV-Photonen, wie sie bei der PET entstehen, wird mittels Koinzidenzmessung mit Szintillationsdetektoren bestimmt. Die Photonenkonversionseffizienz mit 9 Konverterschichten ist 0,31 %, welche dem erwarteten Wert entspricht und etwa doppelt so hoch ist verglichen ohne Schichten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus noch eine Elektronikuntersuchung durchgeführt. Für das High-Luminosity-Upgrade des LHC Speicherrings am CERN werden die Ausleseelektronik der MDT-Kammern (Monitored Drift Tube) im ATLAS-Detektor ausgetauscht, um eine einwandfreie Funktionalität bei den erhöhten Kollisionsraten zu gewährleisten. Dies umfasst den neuen Amplifier-Shaper-Discriminator-Chip (ASD2). Seine Leistung wird untersucht und ein Testverfahren entwickelt, um die leistungsstärksten ASD2-Chips für die Integration zu ermitteln.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar