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Construction and commissioning of a setup to study ageing phenomena in high rate gas detectors
(2014)
In high-rate heavy-ion experiments, gaseous detectors encounter big challenges in terms of degradation of their performance due to a phenomenon dubbed ageing. In this thesis, a setup for high precision ageing studies has been constructed and commissioned at the GSI detector laboratory. The main objective is the study of ageing phenomena evoked by materials used to build gaseous detectors for the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR).
The precision of the measurement, e.g., of the gain of a gaseous detector, is a key element in ageing studies: it allows to perform the measurement at realistic rates in an acceptable time span. It is well known the accelerating ageing employing high intensity sources might produce misleading results. The primary objective is to build an apparatus which allows very accurate measurements and is thus sensitive to minute degradations in detector performance. The construction and commissioning of the
setup has been carried out in two steps. During the first step of this work, a simpler setup which already existed in the detector laboratory of GSI had been utilised to define all conditions related to ageing studies. The outcome of these studies defined the properties and characteristics that must be met to build and operate a new, sophisticated and precise setup. The already existing setup consisted of two identical Multi Wire Proportional Chambers (MWPCs), a gas mixing station, an 55Fe source, an x-ray generator, an outgassing box and stainless steel tubing. In a first step, the gain and electric field configuration of the MWPCs were simulated by a combination of a gas simulation (Magboltz) and electric field simulation program (Garfield). The performance and operating conditions of the chambers have been thoroughly characterised before utilising them in first preparatory ageing test. The main diagnostic parameter in ageing studies is the detector gain, thus it is mandatory for precise ageing studies to minimise the systematic and statistical variation of the pressure and temperature corrected gain. To achieve the required accuracy, several improvements of the chamber design and the gas system have been implemented. In addition, the temperature measurement has been optimised. During the preparatory tests, several ageing studies have been carried out. The ageing effect of seven materials and gases have been carried out during these tests: RTV-3145, Ar/CO2 gas, Durostone flushed with Ar/Isobutane gas, Vetronit G11, Vetronit G11 contaminated with Micro 3000 and Gerband 705. The results of these studies went into the design of the new sophisticated ageing setup. For example some tests revealed that there was, even after cleaning, a certain level of contamination with "ageing agents" in the existing setup, which made it imperative to ensure a very high level cleanness of all components during the construction of the setup. The curing period of some testing samples like glues or the gas flow rate were found to be very important factors that must be taken into account to obtain comparable results. Very important changes in the chamber design have been made, i.e., the aluminium-Kapton cathodes used in MWPCs have been replaced with multi-wire planes and the fibreglass housing of the chamber has been changed to metal. The second step started with building the new setup which was designed based on the findings from the first step. The new ageing setup consists of three MWPCs, two moving platforms, an 55Fe source, a copper-anode x-ray generator, two outgassing boxes, both flexible and rigid stainless steel tubes. Before fabrication of the chambers, simulations of their electric field and the gain have been done using Magboltz and Garfield programs. After that, the chambers were installed and tested. A 0.3% peak-to-peak residual variation of the corrected gain has been achieved. Finally, the complete setup has been operated with full functionality in no-ageing conditions during one week. This test revealed very stable gain in all three chambers. After that two materials (Gerban 705 and RTV-3145) have been inserted in the two outgassing boxes and tested. They revealed an ageing rate of about 0.3%/mC/cm and 3%/mC/cm respectively. The final test proves the stability and accuracy of the ageing measurements carried out with the ageing setup at the detector laboratory at GSI which is ready to conduct the envisaged systematic ageing studies.
Next-generation DIRC detectors, like the PANDA Barrel DIRC, with improved optical designs and better spatial and timing resolution, require correspondingly advanced reconstruction and PID methods. The investigation of the PID performance of two DIRC counters and the evaluation of the reconstruction and PID algorithms form the core of this thesis. Several reconstruction and PID approaches were developed, optimized, and tested using hadronic beam particles, experimental physics events, and Geant simulations. The near-final design of the PANDA Barrel DIRC was evaluated with a prototype in the T9 beamline at CERN in 2018. The analysis finds excellent agreement between the experimental data and the Geant simulations for all reconstruction algorithms. The best PID performance of up to $5.2 \pm 0.2$ s.d. $\pi$/K separation at 3.5 GeV/c, was obtained with a time imaging PID method. The PANDA Barrel DIRC simulation, as well as the reconstruction and PID algorithms, were evaluated using experimental data from the GlueX DIRC as part of the FAIR Phase-0 program. The performance validation was carried out using physics events of the GlueX experiment and simulations. The initial analysis results of the commissioning dataset show a $\pi$/K separation power of up to 3 s.d. at a momentum of 3.0-3.5 GeV/c, obtained using a geometric reconstruction algorithm.
Da in der Run 3 Periode des CERN LHC die Kollisionsrate auf 50 kHz erhöht werden soll, muss die ALICE TPC umgebaut werden. Die Vieldrahtproportionalkammern mit Sperrgitter sollen gegen eine GEM-basierte Auslese ausgetauscht werden, um eine kontinuierliche Auslese zu ermöglichen.
Es wurde eine GEM-Testkammer, die mit drei und vier GEM-Folien betrieben werden kann, entwickelt und gebaut. GEM-Folien wurden unter dem Mikroskop auf Fehler untersucht und auf ihre Spannungsfestigkeit hin getestet sowie gerahmt und in die Kammer eingesetzt. Mit der fertigen kleinen TPC mit GEM-basierter Auslese wurden IBF und Energieauflösung gemessen. Ziel der Messungen war es, einen möglichst geringen IBF von unter 1 % zu erhalten, um so wenig wie möglich Feldverzerrungen im Driftvolumen der TPC zu erhalten, bei gleichzeitig guter Energieauflösung von mindestens 12 %, um eine gute Teilchenidentifikation in der TPC sicherzustellen.
Da standard GEM-Konfigurationen mit nur drei GEM-Folien zwar eine gute Energieauflösung, jedoch zu viel IBF aufweisen, wurden die Messungen hauptsächlich mit vier GEM-Folien durchgeführt. Es wurden zwei verschiedene Arten von GEM-Folien verwendet, Standard (S) und Large-Pitch (LP) GEM-Folien, die bei einem Großteil der Messungen in der S-LP-LP-S-Konfiguration angeordnet waren.
Es wurde festgestellt, dass sich IBF und Energieauflösung gegenläufig verhalten, bei besser werdendem IBF also die Energieauflösung schlechter wird und umgekehrt.
Es wurden zwei verschiedene Gasmischungen, Ne-CO2-N2 (90-10-5) und Ar-CO2 (90-10), untersucht. Mit Neon wurde bei einem Gain von 2000 gemessen, mit Argon nur bei einem Gain von 1000, da bei Argon die Anzahl der produzierten Elektronen pro cm etwa doppelt so groß ist.
Der IBF war mit beiden Gasmischungen etwa gleich groß. Die Energieauflösung war mit Argon jedoch aufgrund des niedrigeren Gains erheblich schlechter. Mit Ne-CO2-N2 (90-10-5) gelang es, einen Arbeitspunkt mit einer Energieauflösung von etwa 12 % und einem IBF von unter 1 % zu finden, mit Ar-CO2 (90-10) war dies jedoch nicht der Fall.
Ziel der Bachelorarbeit war es, einen Versuch für das Fortgeschrittenen-Praktikum des Instituts für Kernphysik zu konzipieren, der es ermöglicht, die Lebensdauer von aus der kosmischen Strahlung entstandenen Myonen zu bestimmen.
Dazu wurden vorhandene Komponenten auf ihre Gebrauchstauglichkeit getestet und untersucht, insbesondere in Bezug auf die Größe der Szintillatoren, ob der für einen Praktikumsversuch zeitlich gegebene Rahmen eingehalten werden kann.
Es ergaben sich einige mechanische Probleme, insbesondere bei der Verbindung der neuen, größeren Szintillatoren mit den Photomultipliern, die angegangen wurden. Die zuerst getestete Methode stellte sich jedoch als uneffektiv heraus, sodass die endgültige Lösung mit Hilfe einer neuen, computergesteuerten Fräsmaschine der Feinmechanik-Werkstatt erreicht werden soll.
Um die entstandenen Daten zu verarbeiten, wurde ein entsprechendes Programm in LabVIEW entwickelt, das die am TDC abgegriffenen Daten auf ihre Relevanz untersucht und die Ergebnisse in eine Textdatei schreibt. Das LabVIEW Front Panel wurde dabei so gestaltet, dass es den Praktikanten alle wichtigen Daten in graphisch anschaulicher Weise liefert.
Die Daten aus der Textdatei werden dann mit Hilfe eines ROOT Makros mit zwei verschiedenen Exponentialfunktionen gefittet.
In ersten Messungen ergibt sich ein Wert für die Lebensdauer der Myonen, der erstaunlich nahe am Literaturwert liegt.
Die extrem hohen Interaktionsraten, die mit dem CBM Experiment verfügbar sein werden, erlauben die Messung von einigen der herausfordensten Observablen im Feld der Schwerionenphysik. Im besonderen die Messung von Dileptonen im mittleren Massenbereich ist nahezu unmöglich für eine Vielzahl anderer Experimente, da die extrem kleinen Wirkungsquerschnitte der Produktionskanäle das Auftreten eines messbaren Ereignisses so selten machen, so dass es nicht möglich ist eine ausreichende Anzahl dieser Ereignisse zu messen. Hinzu kommt, dass speziell im Energiebereich des CBM Experiments bisher absolut keine Messdaten verfügbar sind, obwohl es zahlreiche Hinweise von theoretischer Seite und von Messungen bei größeren Kollisionsenergien darauf gibt, dass wir im Energiebereich des CBM Experiments bedeutende Entdeckungen machen k¨onnten. Eine solche Messung dieser Observable könnte einen direkten Zugang zu Informationen bezüglich eines potentiellen Phasenubergangs von hadronischer Materie (bzw. im Hadronengas) in den Zustand eines Quark-Gluonen Plasmas liefern. Zusätzlich bieten Dileptonen noch die Möglichkeit Indikatoren für eine Wiederherstellung der chiralen Symmetrie zu messen...
Electron identification with a likelihood method and measurements of di-electrons for the CBM-TRD
(2017)
In this work a likelihood method has been implemented and investigated as particle identification algorithm for the CBM-TRD.
The creation of the probability distributions for the likelihood method via V0-topologies seems to be feasible and the purity of the obtained samples is sufficient for the usage in the likelihood method.
The comparison between the ANN and the likelihood method shows no differences in the identification performance. The pion suppression factor reaches the same values for the same electron identification efficiencies and the yields of the resulting di-lepton signals are comparable. The signal-to-background ratios for both methods have the same values and show a value of about 10−2 in the invariant mass range of minv = 1.5 - 2.5 GeV/c2, which is expected to be sufficient to provide access to the thermal in-medium and QGP radiation.
The investigation of a detector system without a TRD shows no pion suppression for a momentum above p = 6 GeV/c. Therefore, the background contributions increase drastically and the signal-to-background ratio decreases at all invariant masses, but especially in the invariant mass range of minv = 1.5 - 2.5 GeV/c2.
The background contributions in the invariant mass range of minv = 1.5 - 2.5 GeV/c 2 are also influenced by the selected electron identification efficiency of the TRD, which significantly shifts the fraction of the eπ contributions relative to the total number of pairs.
Heavy-ion collisions at ultra-relativistic energies allow access to the Quark-Gluon Plasma, the deconfined phase of the strong interaction, a state which is believed to have existed fractions of seconds after the big bang. Two-particle correlations at small relative momenta, and particularly their dependence on pair transverse mass, are distinctly sensitive to the reaction dynamics of the fireball created in heavy-ion collisions.
Being the heaviest system to extract a size of the particle emitting source, proton-lambda correlations extend the studied range in pair transverse mass and are therefore well suited to explore the dynamical behavior of the matter created in Pb-Pb collisions at the Large Hadron Collider. The centrality dependence of the extracted source radii affirms the expectations of a larger source for more central collisions. Source radii were attained over a span of more than 0.9 GeV/c2 in mean pair transverse mass with a source radius extracted for a mean transverse mass as high as 2.18 GeV/c2. The source radii decrease with increasing pair transverse mass, as expected in a hydrodynamical picture. The comparison with radii obtained from other particle species exhibits the clear breaking of an elsewhere proposed scaling behavior of source radii with mean pair transverse mass for all particle species.
Gamma-gamma correlations possibly allow to look past the barrier of kinetic freeze-out. Additionally, they bear the potential to solve the puzzling observation in heavy-ion collisions of an excess of photons with a large temperature-like inverse slope parameter on the one hand and an elliptic flow coefficient of photons comparable to the one of hadrons on the other hand. A striking signal in the two-photon correlation function is observed; however it seems likely to not be of quantum statistical origin. A path for further studies is laid out.
Das CBM-Experiment konzentriert sich auf die Untersuchung der Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas bei hohen Netto-Baryonendichten und moderaten Temperaturen. An der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR an der GSI findet das Experiment, neben vielen anderen Experimenten, ihren Platz. Der TRD ist, neben dem RICH, STS und TOF, einer der zentralen Detektoren im CBM-Experiment. Der TRD nutzt dabei den physikalischen Effekt der Übergangsstrahlung, die durch ein geladenes Teilchen beim Durchqueren einer Grenze zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit entsteht, um Elektronen von Pionen trennen zu können. Im Jahr 2017 wurde an der DESY 4 TRD-Prototypen in einer Teststrahlzeit getestet. Dabei handelt es sich um große TRD-Module mit den Maßen 95 · 95 cm2 , was dem finalen Design sehr nahe kommt. Die Untersuchung der DESY-Daten in Kapitel 5 brachte große Problematiken in den Daten zum Vorschein. Die Hauptprobleme der DESY-Daten sind: 1) Bug des SPADIC-Chips 2.0, bei der FN-Trigger zeitlich verschoben wurden; 2) schwache und suboptimale Trigger-Bedingung, wodurch sehr viel Rauschen aufgenommen wurde. Die Daten müssen für weitere Auswertung aufbereitet werden, wobei sehr viel Information und Statistik verloren geht, da einige Daten durch diverse Probleme nicht mehr rekonstruierbar sind. Kapitel 6 beschäftigt sich mit der Simulation der Detektorantwort und geht genauer auf die einzelnen Schritte, die zur Simulation des vom SPADIC erzeugten Pulses benötigt werden, ein. Am Ende werden Ergebnisse aus beiden Datensätzen miteinander verglichen. Um einen optimalen Vergleich zu gewähren, wird die Simulation bestmöglich an die Einstellungen in der Teststrahlzeit angepasst. Hauptsächlich geht es um die Erhöhung des Gasgains und der Verschiebung der Peaking-Zeit des Pulses. Im Allgemeinen können wir in der Simulation einige Effekte, die auch in den DESY-Daten vorkommen, nachsimulieren. Wir erhalten zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse in der Simulation, deren Richtigkeit nicht verifiziert werden kann, da die Daten aufgrund der Probleme unzuverlässig werden. Durch die Analyse der DESY-Daten konnten wir die Problematik in den Daten besser verstehen. Eine sinnvolle Anpassung der Simulation wird durch die Unzuverlässigkeit der DESY-Daten unmöglich. Für die Optimierung der Simulation müsste man einen Vergleich mit neueren, zuverlässigeren Daten aus zukünftigen Teststrahlzeiten nehmen.
Das CBM Experiment konzentriert sich auf die Untersuchung des Phasendiagramms von stark wechselwirkender Materie im Bereich moderater Temperaturen, aber hoher Netto-Baryonendichte. Dabei sollen unter anderem Proben aus dem frühen und hochdichten Stadium des Quark-Gluon Plasmas detektiert werden. Ein Beispiel dafür ist das J/ψ-Meson. Das Vektormeson gilt wegen seiner Eigenschaften und Interaktion mit dem QGP als eine der wichtigen Proben stark wechselwirkender Materie.
In dieser Arbeit wird die Performance der Detektoren anhand einer Simulation in Hinsicht auf die Messung des J/ψ-Mesons studiert. Es werden hierfür unterschiedliche Simulationsansätze verglichen. Die Simulation wird im FairRoot und CbmRoot Framework durchgeführt. Es werden Proton+Gold Kollisionen bei einer Strahlenergie von 30 GeV pro Proton simuliert. Dabei verwenden wir das Standard-Setup des SIS100 für Elektronen. Das J/ψ-Meson wird über den e+e−-Zerfallskanal rekonstruiert. Bei der J/ψ-Rekonstruktion werden zuerst Schnitte gesetzt, mit der ein großer Teil der Teilchenspuren, die nicht aus J/ψ-Zerfällen stammen, aussortiert werden und so der Untergrund verringert wird.
Die Effizienz für Elektronen im Detektor-Setup RICH+TRD+TOF beträgt 65 Prozent. Für das J/ψ-Meson erhalten wir mit den gleichen Detektoren eine Effizienz von 25 Prozent. Das invariante Massenspektrum, das wir aus einer Simulation mit 8,5 Millionen Ereignisse bilden, zeigt uns, dass der hauptsächliche Anteil des Untergrunds aus Pion-Elektron-Kombinationen besteht. Es folgen im e+e−-Zerfallskanal unkorrelierte Elektron-Positron-Kombinationen als der zweitgrößte Beitrag zum Untergrund. Die Statistik ist bei der Full Simulation zu gering, um das J/ψ-Signal extrahieren zu können. Eine Integration liefert uns ein J/ψ Signal von 0,021 bei 8,5 Millionen Ereignisse, d.h. für die Detektion eines J/ψ-Mesons werden ca. 1010 Ereignisse benötigt.
Die Fast Simulation Methode ermöglicht uns in kürzerer Zeit eine größere Menge an Ereignissen zu simulieren. Dazu werden Information aus der Full Simulation entnommen, die als Antwort-Funktionen bezeichnet werden. Die Antwort-Funktionen werden der Fast Simulation übergeben, um so zeitintensive Prozesse in der Simulation überspringen zu können. Zum Zeitpunkt der Arbeit fehlen Pionen, Protonen und Kaonen in den invarianten Massenspektren der Fast Simulation. Das Problem soll in Zukunft behoben werden. Folglich haben wir ein invariantes Massenspektrum mit 85 Millionen simulierten Ereignissen, jedoch ohne Pionen, Protonen und Kaonen. Wir erhalten daher ein signifikantes J/ψ-Signal, allerdings mit einem unrealistisch hohen S/B-Verhältnis. Ein weiteres Ziel, nach der Implementierung der fehlenden Teilchen, soll die nochmalige Extrahierung des J/ψ-Signals mit korrektem Untergrund sein.
Ziel der Simulationsstudien in dieser Arbeit war es, die Leistungsfähigkeit des Transition Radiation Detectors zur Identifikation von leichten Kernen und Hyperkernen im CBM-Experiment zu untersuchen. Die Trennung von Helium und Deuterium
mithilfe ihres spezifischen Energieverlustes im TRD ist zentral, um eine Rekonstruktion des seltenen Hyperkerns 6 ΛΛHe mit einem hohen Signal-zu-Untergrund-Verhältnisse zu leisten. Zur Erfüllung der Anforderungen, die sich aus dem CBM-Forschungsprogramm ergeben, wird eine Auflösung des Energieverlustes dEdx von Helium von höchstens 30 % verlangt...
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung eines neuen Prototypen für den Übergangsstrahlungsdetektor im zukünftigen CBM-Experiment. Da der TRD zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas im Bereich hoher Baryonendichten bei hohen Kollisionsraten besonders schnell sein muss, wurde ein Prototyp mit einem kleinen Gasvolumen ohne Driftbereich entwickelt. Die Geometrie ist jedoch mit einer Reduzierung der Stabilität der Gasverstärkung verbunden, denn das elektrische Feld in der Kammer ist bei den geringen Abständen von Verformungen des dünnen Kathodenfensters abhängig. Daher wurde eine vielversprechende, veränderte Drahtgeometrie eingeführt: zwischen den Anodendrähten wurden zusätzliche Felddrähte positioniert, um das elektrische Feld im Bereich der Gasverstärkung zu stabilisieren.
Der neue Prototyp mit alternierender Hochspanngung und mit einer Dicke von 8 mm sowie einer aktiven Fläche von 15 x 15 cm2 wurde im Labor mit einer 55Fe-Quelle getestet.
Dazu wurden Strommessungen und eine spektrale Analyse für 25 verschiedene Positionen der Quelle vor der Kammer durchgeführt, sowohl mit der neuen Kammer als auch mit einer Standardkammer als Referenz. Die mit der neuen Kammer verbundenen positiven Erwartungen konnten durchweg bestätigt werden. Sowohl für die Strom- als auch für Energiemessung konnte eine signifikante Verbesserung der Stabilität der Gasverstärkung festgestellt werden. Variationen von über 60 % über die verschiedenen Messpunkte für die Standardkammer konnten mit der Kammer mit alternierender Hochspannung auf unter 15 % reduziert werden. Auch bei einer Variation des differentiellen Drucks, der mit der Ausdehnung des Folienfensters verbunden ist, kann das elektrische Feldes mithilfe der Felddrähte stabilisiert werden. Ebenso kann eine Analyse der Energieauflösung für die mit den Prototypen aufgezeichneten Spektren den stabilisierenden Effekt bestätigen. Eine zusätzliche Verbesserung durch das Anlegen einer negativen Spannung an den Felddrähten konnte allerdings nicht beobachtet werden. Ebenso zeigten die Messungen mit einer zweiten Kammer mit asymmetrischer Geometrie, das heißt die Drahtebene wurde in Richtung der hinteren Kathode verschoben, keine weitere Stabilisierung. Messungen der an den Felddrähten influenzierten Ströme zeigen, dass diese etwa bei einem Drittel der Anodenströme liegen, wobei sie für eine Erhöhung der Felddrahtspannung ebenso wie für die Messung mit der asymmetrischen Kammer leicht ansteigen. Die Ströme an den Felddrähten sind mit der Bewegung der Ionen in der Kammer verbunden, die das elektrische Feld stören können. Durch die Einführung der Felddrähte wird sich ein Teil der Ionen zu diesen bewegen, anstelle den Weg durch die Kammer bis zu den Kathoden zurückzulegen.
Die positiven Ergebnisse für die Kammer mit alternierenden Drähten sind nun Ausgangspunkt für weitere Schritte. Größere Kammern mit einer Fläche von 60 x 60 cm2, wie sie auch im finalen Experiment eingesetzt werden, wurden bereits gebaut und in einem gemischten Elektron-Pion-Strahl am PS (Protonsynchrotron) und mit einem Bleitarget am SPS (Super-Proton Synchrotron) am CERN getestet. Dabei wurde die Dicke des Gasvolumens nochmals – auf 7 mm – reduziert, was die Schnelligkeit des Detektors weiter erhöht, allerdings auch die Stabilität der Gasverstärkung wieder auf die Probe stellt. Die Daten werden derzeit ausgewertet. Eine weitere Analyse auf Basis der Padauslese im Labor ist in Planung. Hierbei ist insbesondere die Verteilung eines Signals über die Pads (Pad-Response-Funktion) von Bedeutung, wobei diese von der Bewegung der Ionen und damit von der Geometrie des elektrischen Feldes beeinflusst wird. Die Einführung der Felddrähte spielt hier eine wesentliche Rolle; insbesondere beträgt der Drahtabständ zwischen den Andodendrähten nun 5 mm, während die Abstände bei den vorhergehenden Generationen bei 2-3 mm lagen.
Auch die Signalform ist von Interesse. Die derzeit ebenfalls in Entwicklung befindliche Ausleseelektronik und die Algorithmen zur Datenverarbeitung sind auf die bekannte Signalform eines Standardprototypen ausgerichtet. Eine veränderte Form müsste entsprechend berücksichtigt werden, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Auswertungen in dieser Arbeit zeigen, dass sich die Signalform grundsätzlich nicht von der des Standardprototypen unterscheidet. Wichtig sind auch die Driftzeiten für Elektronen aus der Lawine. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die die Schnelligkeit des Detektors. Mit der Einführung der Felddrähte liegen sie zwar zum großen Teil nach wie vor im Bereich eines Standardprototyen mit entsprechender Dicke des Gasvolumens von 8 mm bei bis zu 150 ns, jedoch folgt dann ein sehr langsamer Abfall mit Elektrondriftzeiten von bis zu 450 ns [47]. Eine Verbesserung ist durch ein kleineres Gasvolumen möglich, für einen Anoden-Kathoden-Abstand von 3 mm sinken die maximalen Driftzeiten auf 300 ns. Eine andere Alternative ist das Anlegen einer negativen Spannung an das Eintrittsfenster.
Im Laufe dieser Bachelor-Arbeit wurden verschiedene GEM-Anordnungen systematisch auf ihr IBF-Verhalten hin untersucht. Neben der Reproduktion zuvor durchgeführter Messungen wurden auch neue GEM-Kombinationen getestet. Insbesondere lag der Fokus darauf, eine Verbesserung des IBFs gegenüber des Baseline-Setups zu erzielen. Dabei kamen neben der bisher verwendeten S und LP Folien auch SP Folien zum Einsatz. Die Messungen brachten jedoch kein Ergebnis hervor, welches als Verbesserung gegenüber der Ausgangslage angesehen werden könnte. Da mit SP GEMs zuvor wenig gearbeitet wurde, war es unter anderem ein Ziel, zu untersuchen, wie sich die Verwendung dieser GEMs auf den IBF auswirkt. Insbesondere war die Frage zu klären, ob durch ihre Verwendung der IBF des Baseline-Setups
verbessert werden kann. Zum besseren Verständnis wurde ebenfalls eine Variante, S-S-LPS, untersucht. Für dieses Setup konnte durch die Verwendung einer SP Folie auf Position 4 eine Verbesserung des IBF bewirkt werden, für das Baseline-Setup jedoch nicht. Ein wesentliches Ergebnis dieser Bachelor-Arbeit war, dass das Alignment der GEMs, entgegen bisheriger Annahmen, eine große praktische Relevanz hat. Die relative Orientierung zweier aufeinander folgender GEMs gleichen Lochabstands zueinander hat einen großen Ein
uss auf die lokale Ionentransmission. Eine genauere Untersuchung hat ergeben, dass man dem entgegenwirken kann, indem man aufeinander folgende GEMs um 90° gedreht einbaut. Aufgrund der Geometrie der Folien verhindert man dadurch, dass sich die Löcher zweier Folien direkt ßber- bzw. untereinander anordnen. Ein solcher Aufbau konnte durch eine geringfügige Modifikation der Testkammer erreicht werden.
Mit diesem veränderten Aufbau wäre es nun das Ziel gewesen, alle bisherigen Messungen zu wiederholen und auf Reproduzierbarkeit hin zu überprüfen. Die Wiederholung einer Messreihe mit um 90° gedrehten GEMs hat im Rahmen der Fehlertoleranzen reproduzierbare
Ergebnisse geliefert. Aus zeitlichen Gründen war es jedoch im Rahmen dieserArbeit nicht möglich, eine vollständige Wiederholung aller Messungen durchzuführen. Dies wurde zu einem späteren Zeitpunkt von anderen Personen getan.
The Time Projection Chamber (TPC), a large gaseous detector, is the main particle identification device of the ALICE experiment at the CERN LHC. The desired performance of the TPC defines the requirements for the gas mixture used in the detector. The active volume was filled with either Ne-CO2 (90-10) or Ne-CO2-N2 (90-10-5) during the first LHC running period. For LHC Run 2 the gas mixture is changed to Ar-CO2. Calculations of relevant gas properties are performed for Ar-based gas mixtures and compared to Ne-based gas mixtures to identify the most suitable Ar mixture. The drift velocity of ions in Ar is lower than in Ne. The closing time of the gating grid has to be adjusted accordingly to avoid drift field distortions due to back-drifting ions. The drift times of ions in the TPC readout chambers are calculated for the respective gas mixtures to determine the time to collect all ions from the amplification region. For LHC Run 3 the TPC readout chambers will be upgraded. The Multiwire Proportional Chambers (MWPCs) will be replaced by readout chambers based on Gas Electron Multipliers (GEMs) which are operated in continuous mode. As a consequence an ion backflow of the order of 1% causes significant space-charge distortions in the TPC drift volume. Similar distortions are expected in data taken specifically for the study of space-charge effects at the end of Run 1. The gating grid of the MWPCs is operated in the open state allowing the ions from the amplification region to enter the drift volume. The magnitude of the distortions in this data is measured and compared to the expectations for the TPC upgrade and results from current simulations.
Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP.
Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann.
In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren.
Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird.
Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte.
Anisotropic collective flow of protons resulting from non-central heavy ion collisions is a unique hadronic observable providing information about the early stage of the nuclear collision. The analysis of collective flow in the energy regime between 1-2 AGeV enables the study of the phase diagram of hadronic matter at a high baryochemical potential µb, as well as the analysis of the equation of state at densities up to the threefold of the ground state density ρ0.
The algorithms of the standard event plane method and the scalar product method are used to analyse directed and elliptic flow of protons in a centrality range of 0-40 % most central events.
Prior to the analysis of experimental data, the respective influence of the reconstruction procedure on the algorithms is examined using Monte Carlo simulations based on the Ultra relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) model.
Subsequently, experimental data measured in April 2012 with the High Acceptance DiElectron Spectrometer (HADES) is analysed using both methods. About 7.3 · 109 Au+Au events at a kinetic beam energy of 1.23 AGeV, equivalent to a centre of mass energy of √sNN = 2.42 GeV were recorded. A multi-differential analysis is feasible as the HADES detector provides a good transverse momentum and rapidity coverage.
Both algorithms result in identical values for directed and elliptic flow across all centrality classes within the observable phase space of protons. The calculated integrated value of v2 at mid rapidity is in good agreement with world data.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden grundlegende Eigenschaften von GEM-Verstärkungsstrukturen untersucht. Dies waren der Einfluss des Alignmenteffektes auf die Reproduzierbarkeit von Messungen, die Elektronenextraktionseffizienz von GEMs im allgemeinen und die Auswirkungen von Druckschwankungen auf die Gasverstärkung. Weiterhin wurden verschiedene vierlagige GEM-Verstärkungssysteme mit einer MP-GEM an erster Stelle in Hinblick auf Ionenrückfluss und Energieauflösung untersucht.
Der Alignmenteffekt ist noch nicht vollkommen verstanden und verlangt weitere Untersuchungen. Was aber definitiv gesagt werden kann ist, dass das Drehen der GEMs um 90° die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sicherstellt.
Die unterschiedlichen Elektronenextraktionseffizienzen der verschiedenen GEM-Typen sind noch unverstanden. Auch wenn die grundsätzliche Zunahme der Extraktion mit zunehmenden Transferfeld verständlich ist, so bleibt vor allem das Verhalten einer LP-GEM in diesem Kontext bis jetzt unerklärlich.
Die Versuche mit einer MP-GEM an erster Stelle einer vierlagigen Verstärkungsstruktur haben sich als keine Verbesserung im Vergleich zu den S-Konfigurationen herausgestellt. Auch wenn manche gefundenen Einstellungen die Kriterien von einem IBF von weniger als 1 % und einem σ(55Fe) von weniger als 12 % gleichzeitig erfüllen, liegen diese Messpunkte so knapp an den definierten Grenzen, dass sie nicht für den Betrieb in der Spurendriftkammer von ALICE geeignet sind. Eine Erkenntnis, die trotzdem gewonnen werden konnte, ist, dass sich das Verhalten von verschiedenen Konfigurationen verstehen lässt. So ist die beste untersuchte Konfiguration die MP-LP-LP-S-Konfiguration gewesen, danach folgte die MP-S-LP-S und als schlechteste hat die MP-S-LP-SP-Konfiguration abgeschnitten. Dies ist genau die gleiche Reihenfolge, wie sie auch bei den S-Konfigurationen auftritt: S-LP-LP-S, dann S-S-LP-S und danach S-S-LP-SP. Ein wichtiger Schritt in einem guten Kompromiss zwischen Ionenrückfluss und σ(55Fe), scheinen zwei LP-GEMs an zweiter und dritter Stelle zu sein und weniger der Lochabstand der letzten GEM.
Die Druckabhängigkeit der Gasverstärkung hat einen großen Einfluss auf die Verstärkung und damit auf die Reproduzierbarkeit von Messungen. Bei einem Höhenunterschied von ca. 400 m ergibt sich eine Änderung der Verstärkung von ca. 35 %. Zusätzlich wird dieser Effekt von lokalen Wetterbedingungen überlagert. Der Einfluss des Luftdruckes kann jedoch mit dem Fit in Abbildung 43 berücksichtigt und damit herausgerechnet werden
During RUN3 (2021-2023) of the Large Hadron Collider, the Time Projection Chamber (TPC) of ALICE will be operated with quadruple stacks of Gas Electron Multipliers (GEMs). This technology will allow to overcome the rate limitation due to the gated operation of the Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs) used in RUN1 (2009-2013) and RUN2 (2015-2018).
As part of the Upgrade project, long-term irradiation tests, so called "ageing tests", have been carried out. A test setup with a detector using a quadruple stack of 10x10cm2 GEMs was built and operated in Ar-CO2 and Ne-CO2-N2 gas mixtures. The detector performance such as gas gain and energy resolution were monitored continuously. In addition, outgassing tests of materials used for the assembly process of the upgraded TPC were performed. To reach the expected dose of the GEM-based TPC, the detector was operated at much higher gains than the TPC. It was found, that the GEMs could keep their performance within the projected lifetime of the TPC. Most of the tested materials showed no negative impact on the detector. For the tested epoxy adhesive no certain conclusion could be drawn.
At much higher doses than expected for the upgraded TPC, a new phenomenon was observed, which changed the hole geometry of the GEMs and led to a degradation of the energy resolution. Even though its occurrence is not expected during the lifetime of the GEM-based TPC, simulations were carried out to study this effect more systematically. The simulations confirmed, that a change of the hole geometries of the GEMs, lead to an increase of the local gain variation, which results in a decrease of the energy resolution.
Furthermore the effect of methane as quench gas on GEMs was studied, even though this gas is not foreseen to be used in the TPC. From ageing tests with single-wire proportional counters it is well known that hydrocarbons are produced in the plasma of the avalanches, which cover the electrodes and lead to a degradation of the detector performance. Even though GEMs have a quite different geometry, the ageing tests showed, that also this technology tends to methane-induced ageing. A loss of gas gain as well as a degradation of the energy resolution due to deposits on the electrodes was monitored. A qualitative and quantitative comparison between ageing in GEMs and proportional counters was performed.
Zunächst sind einige Methoden und Techniken zusammenfassend aufzuzählen, welche mir in meiner Zeit am IKF nahegebracht wurden.
Von technischer Seite her sind hier der Umgang mit der Instituts-eigenen Lichtmikroskop und den pA-Messgeräten sowie der analogen Messkette zu nennen. Außerdem gegebenen GEM-Folien auf Fehlstellen zu untersuchen, sie unter Spannung zu testen und anschließen in die Testkammer zu montieren und diese anschließend ordnungsgemäß in Betrieb zu nehmen. Während des Betriebs der Kammer sind neben den Messungen selbst auch die Programmierung in C++ um ein vorhandenes GUI zu verstehen und erweitern zu können zu nennen. In der Analyse der gewonnenen Daten ist vor allem die im Institut verbreiteten Analyse-Software „Root“ zu nennen um Daten zu verarbeiten, zu plotten und zu fitten.
Der physikalische Gehalt der Messungen war in Folge der ersten Messung nicht mit Sicherheit zu bestimmen, da die Raten-Abhängigkeit des IB entweder grundlegender physikalischer oder technischer Natur sein konnte, was näher zu untersuchen blieb. Nach wiederholter Messung mit größerem Messbereich und einer zweiten Messreihe mit einer anderen Gas-Mischung konnten jedoch Aussagen getroffen werden.
So konnte in der Argon-Messung die gleiche Raten-Abhängigkeit des IBF wie zuvor festgestellt werden, während der IBF in der Neon-Mischung kaum merklich anstieg. Außerdem ist festzuhalten, dass Messungen an der Kathode nur über 10 pA problemlos genau sind. Darunter werden die Werte bei zu wenig Messzeit weniger aussagekräftig.