GridPix: Development and Characterisation of a Gaseous Tracking Detector W.J.C. Koppert

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "GridPix: Development and Characterisation of a Gaseous Tracking Detector W.J.C. Koppert"

Cornelia van der Velde
6 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 GridPix: Development and Characterisation of a Gaseous Tracking Detector W.J.C. Koppert

2 Samenvatting Deeltjes Detectie in Hoge Energie Fysica De positie waar de botsing heeft plaatsgevonden in een versneller zoals de LHC is omgeven door vele lagen stralingsdetectoren die gebruikmaken van een breed scala aan technologieën om de benodigde informatie voor reconstructie te vergaren. Voor detectoren dichtbij de botsing is belangrijk dat ze het passerende deeltje zo nauwkeurig mogelijk en met zo min mogelijk verstoring waarnemen, zodat metingen in opeenvolgende detectoren niet beïnvloed worden. Gas gevulde detectoren zijn daar zeer geschikt voor. Gas Gevulde Volg Detectoren Gas gevulde detectoren worden gebruikt voor het reconstrueren van positie en richting van geladen deeltjes. Interactie van een geladen deeltje met gas leidt tot een spoor van ion-elektron paren in het gas. De ionen en elektronen worden van elkaar gescheiden door middel van een elektrisch veld; de ionen drijven richting de kathode en de elektronen richting de anode. Doordat de richting van het veld bekend is en elektronen bij benadering het elektrisch veld volgen kan, na versterking, de projectie van het pad van het deeltje op de (gesegmenteerde) anode gereconstrueerd worden. Doordat de drijf snelheid bekend is en de aankomst tijd gemeten wordt, kan bepaald worden welke afstand het elektron heeft afgelegd. Uiteindelijk kan het pad van het deeltje op deze manier in 3 dimensies gereconstrueerd worden. De versterking van elektronen gebeurt in een gebied waarin het elektrisch veld groot genoeg is om ze genoeg snelheid te geven om zelf te ioniseren. De gas versterking die daarop ontstaat resulteert in genoeg lading om te worden gedetecteerd door gevoelige elektronica. 183

Samenvatting GridPix Het concept van gas detectoren is al oud, maar de combinatie moderne fotolithograﬁsch technieken met gevoelige pixel chips kunnen gas detectoren eﬃciënter en accurater gemaakt

3 Samenvatting GridPix Het concept van gas detectoren is al oud, maar de combinatie moderne fotolithografisch technieken met gevoelige pixel chips kunnen gas detectoren efficiënter en accurater gemaakt worden dan ooit tevoren. GridPix is een gasvormige detector in ontwikkelingsfase. De detector onderscheid zich van anderen doordat gebruik is gemaakt van een hoge resolutie pixel chip ( pixels met een afstand van μm), waarop met fotolithografische processen een plaatvormige elektrode is aangebracht die via kleine pilaartjes op de chip bevestigd is. In de elektrode zijn zeer kleine gaatjes gemaakt die precies uitgelijnd zijn met de pixels. Tussen de elektrode en de chip staat een elektrisch veld met een sterkte van orde kv/cm, dat groot genoeg is om versterking te laten plaatsvinden, zie figuur... Met zulke grote velden is de kans op ontladingen tussen de elektrode en de chip significant. Voor de gevoelige elektronica kan een ontlading desastreuze gevolgen hebben. Een licht geleidende protectielaag is daarom op de chip aangebracht zodat tijdens een ontlading het elektrisch veld lokaal reduceert en de ontlading gestopt wordt voordat schade ontstaat. Figure 6.0.3: Een illustratie van het principe van een GridPix detector. Het pad van het passerende deeltje in aangegeven met de zwarte lijn, de elektronen en hun drijf pad in rood. De elektronen drijven naar beneden door de gaten waar vervolgens een amplificatie plaatsvindt, hierin ontstaat genoeg lading om door de pixel te worden waargenomen.

4 Samenvatting 185 De resolutie in een vlak parallel aan de chip word gedomineerd door het effect van elektronen die tijdens het drijven continu van hun baan afgestoten worden door botsingen met gasmoleculen; diffusie. De resolutie in de drijf richting word gedomineerd door een onzekerheid in de tijdsmeting van de pixel; de pixel heeft de neiging elektronen later te meten dan dat ze daadwerkelijk binnengekomen zijn. Resultaten In dit proefschrift word de GridPix aan een breed scala aan testen onderworpen, om zo de detector te karakteriseren. Alle bijdragen aan de resolutie zijn nauwkeurig bestudeerd. Uit resultaten van een testbeam met 180 GeV muonen in 2012 is gebleken dat een GridPix met een maximale drijf afstand van 1.2 mm met een oriëntatie van 45 graden ten opzichte van de inkomende muonen een gemiddelde positie resolutie heeft van 10.1 μm in een vlak parallel aan de chip. Hierbij is het drijf gas CO 2 :DME (57:43) gebruikt. De resolutie in de drijf richting is 35 μm. De hoek resolutie is ongeveer 2.6 in een richting en 3.9 in de andere richting door de onzekerheid in de tijdsmeting. De recent ontwikkelde TimePix- 3 chip kan de aankomsttijd veel preciezer meten, waardoor toekomstige GridPix detectoren hoek resoluties zullen hebben van < 2.6. De efficientie voor het detecteren van een 180 GeV muon is > 99%. De kans op drie of meer ionisaties door een passerend muon is is ongeveer 97%. In deze gevallen is een goede reconstructie te maken van het pad van het deeltje. Met behulp van een ultraviolette laser zijn individuele ionisaties gemaakt in een GridPix detector. Hiermee zijn verschillende gas en detector eigenschappen gemeten. De verdeling van het aantal elektronen dat deelneemt aan de gasversterking is gemeten met de GridPix. Het gemiddelde komt overeen met de resultaten uit elektrische velden berekeningen in combinatie met Monte-Carlo simulaties. Ook de fluctuatie op het gemiddelde aantal electronen is bestudeerd. In andere metingen zijn zowel de drijf snelheid en de diffusie coefficiënten van elektronen in the transversale en longitudinale richting gemeten voor verschillende elektrische velden in CO 2 :DME (47:53). Ook deze resultaten tonen goede overeenkomsten met gesimuleerde data. In dit proefschrift is verder onderzoek gedaan naar het effect van elektrische velden op de prestaties van de detector. Daarvoor is een recent ontwikkelde methode gebruikt om elektrische velden te berekenen. In samenwerking met de ontwikkelaars is deze methode getest en geoptimaliseerd binnen het raamwerk voor simulaties aan gas detectoren. De resultaten hebben geleid tot voorstellen tot kleine veranderingen in de GridPix geometrie ter voorkoming van ontladingen in het GridPix ontwerp. Tevens zijn de invloeden van de velden op de prestaties van de detector onderzocht; toekomstige GridPix detectoren met betere tijdsresolutie zouden de tijdsinformatie van elektronen met een kleine drijf afstand moeten

5 186 Samenvatting corrigeren voor veld effecten. Verder is een correctie nodig op de metingen van de laatste pixel, door kleine veld verstoringen aan de randen van de chip. Het ontwerp van GridPixen met een maximale drijf afstand van 2 cm is gebaseerd op resultaten die verkregen zijn met deze methode. Toekomst Toekomstige toepassingen van GridPix zullen gerelateerd zijn aan de hoge energie fysica of de medische industrie. Echter, er zullen een aantal probleem overwonnen moeten worden; de betrouwbaarheid van huidige GridPix detectoren laat te wensen over. Hoewel in het verleden op kleine schaal geproduceerde betrouwbare GridPixen geproduceerd zijn is dat op grote schaal nog niet bewerkstelligd. Verder zijn er binnen het vakgebied twijfels over de lange termijn invloed van CO 2 :DME (57:43) op de detectoren, hiervoor zijn studies nodig om de effecten te onderzoeken. Als deze onzekerheden niet meer in de weg staan, kan GridPix een goede bijdrage leveren aan de wetenschap.

Vergelijkbare documenten

New Generation GridPix. Development and Characterisation of Pixelated Gaseous Detectors Based on the Timepix3 Chip. S. Tsigaridas

New Generation GridPix. Development and Characterisation of Pixelated Gaseous Detectors Based on the Timepix3 Chip. S. Tsigaridas S Samenvatting Het Standaard Model van de deeltjesfysica is een goed geteste