04.03.2009, dpg-tagung, [email protected] u. renz für die lc-tpc kollaboration
TRANSCRIPT
Überblick• GEM – eine kurze Beschreibung• TimePix, eine moderne Auslese-
elektronik • Beschreibung des Testaufbaus• Orientierungen der GEM und
möglicher Einfluss auf die Auflösung• Messung mit extrem
feinstrukturierten GEMs
2
GEM - Gas Elektron Multiplier
Typisches Aussehen:
• 2 Schichten Cu, jede 5µm dick, getrennt durch 50µm Kapton.
• Konisch geätzte Löcher, größter Ø70µm. Diagonaler Lochabstand 140µm..
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F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531F. Sauli, http://www.cern.ch/GDDF. Sauli, http://www.cern.ch/GDD
Vorteile eines Triple-GEM-AufbausVorteile eines Triple-GEM-Aufbaus• Gasverstärkung bis 105 in ArCO2 leicht erreichbar• Minimierung der Ionenrückdrift in das
Nachweisvolumen (O(10-2))• Abgeschlossen Region der GasverstärkungAbgeschlossen Region der Gasverstärkung
natürlicher Schutz der Ausleseelektroniknatürlicher Schutz der Ausleseelektronik
TimePix• Pixelgröße 55x55µm2, angeordnet
in einer 256x256 Matrix• Abmessungen der aktiven aktiven
FlächeFläche: 14x14mm14x14mm22 • Verwendung eines abgeglichenen
und kalibrierten Chips. Untere SchwelleSchwelle liegt bei 700 e 700 e--
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-
X. Llopart, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 49, NO. 5X. Llopart, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 49, NO. 5X. Llopart et. al, NIM A, Issues 1-2, p. 485-494.X. Llopart et. al, NIM A, Issues 1-2, p. 485-494.
1,4cm1,4cm• Zeitinformation auf jedem Pixel Zeitinformation auf jedem Pixel verfügbar
durch einstellbare Taktfrequenz von bis zu ≈100MHz
• Zwei der vier vorhandenen Modi werden eingesetzt:
• Signalzeit über eingestellter Schwelle TOTTOT-Modus
• Zeitmessung TIMETIME-Modus• Modi individuell für jeden Pixel wählbarModi individuell für jeden Pixel wählbar • In Mixed-Mode Betrieb Pixel abwechselnd
eingestellt auf TIME oder TOT Modus ( Schachbrettmuster)
Ladungs-empfind-licher Eingang
DESY Test Beam June 2007
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ee-- beam DESY II beam DESY IIGEM:GEM:
10 * 10 cm10 * 10 cm22
TimePixTimePix
Trigger (Szintill.) &Si-Teleskop
Störungsfreier Betrieb des
TimePix-GEM-Aufbaus
Zwei verschiedene GEM Zwei verschiedene GEM Arten getestet:Arten getestet:
Standard 100x100mm2 GEMs mit 140µm
Lochabstand
Feinstrukturierte GEMs 24x28mm2 mit 50µm 50µm
LochabstandLochabstand
GEM-Stapel mit GEM-Stapel mit TimePix:TimePix:
•Gezeigt für feinstrukturierte GEMs
•6mm Driftvolumen
• 1.8mm Abstand für Transfer- und Induktionsregion
Typische Ereignisse
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1.5
ns
1. Suche nach zusammenhängenden Gebieten zur Clusterrekonstruktion
2.2. TOT-Information verwenden um Cluster aufzutrennenTOT-Information verwenden um Cluster aufzutrennenABER Diffusion verschmiert Information über ABER Diffusion verschmiert Information über
individuelle Primärelektronen. Cluster individuelle Primärelektronen. Cluster überlappen einander und verschmelzen überlappen einander und verschmelzen scheinbar.scheinbar.
Cluster primärer Ionisation
Verschmiert durch Diffusion
14mm
Rotation der GEM
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beambeam
“alte” Anordnung “neue” Anordnung
x
z
Rotiere GEM um Rotiere GEM um 90°90°
120µ
m
70µ
m
Da Struktur von 120µm sichtbar in FFT
Danach 70µm projizierter Lochabstand
140µ
m
GEM Struktur
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Kein Signal
Erwartete GEM Struktur hier kleiner um Faktor 70/120 höhere Abtastfrequenz
Räumliche Frequenz [1/mm]
Abtastfrequenz 0.454mm-1 y = 0mm - 1mm
Signal bei (8.39±0.04)mm-1
Räumliche Frequenz [1/mm]
• Nutze FastFast Fourier TransformationFourier Transformation (FFT) periodische Struktur bei 1/8.39mm entspricht 119μm, unabhängig von der Abtastrate (Anzahl der Stützstellen der FFT).
• Keine derartige Struktur für größere Driftlängen als 1mm beobachtet. Diese ist durch transversale Diffusion verschmiert.
• Nach Drehung um 90°: Signal in FFT Nach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindetverschwindet
• Amplitude des Signals abhängig von Ausrichtung Chip vs. GEM.
„neue“ Anordnung (um 90° gedreht)
Am
pli
tud
e [
An
zah
l E
reig
nis
se
]
Periodische Struktur erkennbar mit (119±1)mm
mit (119±1)mm
„alte“ Anordnung
„alte“ AnordnungFFTFFT
Bestimmung von 0
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Randpunkte Randpunkte beeinflusst durch beeinflusst durch (restlichen) (restlichen) UntergrundUntergrund
Si-Teleskop ADC Kanäle
m
ea
n [
pix
els]
Ursprung in Driftrichtung (Ursprung in Driftrichtung (yy--Achse)Achse)
Si-Teleskop ADC Kanäle
Data for run 111106_016
• σmean - Varianz der Position der Schwerpunkte der Ladungscluster zur Fitgeraden
• Dt – transversale Diffusionskonstante
• n - Anzahl primärer Elektronen pro Cluster
• y - Driftlänge
• σσ00 - bestmögliche Auflösung des jeweiligen Versuchsaufbau - bestmögliche Auflösung des jeweiligen Versuchsaufbau
el
cl
Auflösung der Standard GEMs
10
alte GEM-Anordnung mit 120µm projiziertem z-Lochabstand
neue GEM-Anordnung mit 70µm projiziertem z-Lochabstand
Für rotierte GEM-Für rotierte GEM-Anordnung, Anordnung, 0 0 verbessert verbessert um um 2µm. 2µm.
Mögliche systematische Fehlerquellen:
•Position Teleskop relativ zu GEM/TimePix-Aufbau
•Endlicher Lochabstand der GEMs
•…
Driftlänge y [mm]
Driftlänge y [mm]
DatenDaten Simu-Simu-lationlation
Gas σ0Dt
2
nelcl
σ0Dt
2
nelcl
“Insel”
Ar/CO2 21.7+/-0.5
519+/-12
----- -----
He/CO2 25.6+/-1.0
675+/-16
----- -----
new new GEM GEM typetypeAr/CO2
15.4 +/-0.4
405+/10
----- -----
“Sattel-punkt”
Ar/CO2 18.4+/-2.7
467+/-36
15.2+/-3.8
726+/-41
He/CO2 27.1+/-4.9
547+/-78
19.4/-4.0
989+/-54
Zusammenfassung
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Clu
ste
r-m
eth
od
Stellt Stellt Verlässlichkeit Verlässlichkeit der der Clustermethode Clustermethode unter Beweis. unter Beweis. Für Für 00 gute gute Übereinstimmung Übereinstimmung Experiment und Experiment und Simulation. Simulation. DDtt
22/n/nelelclcl ist in ist in
akzeptabler akzeptabler ÜbereinstimmungÜbereinstimmung..
Kleine GEMs
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Schutzelektrode (auch auf Unterseite)
Aktive Fläche 28x24mm28x24mm22
•Äußerer Solldurchmesser der Löcher im Kupfer 30µm.
•Innendurchmesser der Löcher im Kapton zwischen 17µm-21µm.
•Diagonaler Lochabstand Diagonaler Lochabstand 50µm50µm
•Projektion in x 43µm
•Projektion in z 25µm
z
x
Auflösung mit kleine GEMs
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Mögliche Systematik durch neue GEMs muss ergründet werden.
Kleine GEMs Kleine GEMs verbessern verbessern oo um um 5µm. 5µm.
vorläufig
Driftlänge y [mm]
Vorläufige Studien des TIME-Modus
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Gezeigt: Differenz zwischen TIME-Wert am Maximum von TOT eines rekonstruierten Clusters und dem Maximum aller TIME-Werte in der entsprechenden Spur als Funktion der Clustergröße.
Ausnutzen der Korrelation von Ausnutzen der Korrelation von TOT und Time zur Korrektur des TOT und Time zur Korrektur des „Timewalk“„Timewalk“
Ereignisweise: 1) Mittelung aller Time-Werte an Position des TOT-Maximums in rekonstruierten Clustern. 2) Abweichung individueller TIME Werte von diesem Mittelwert histogrammiert.
vo
rlä
ufi
g
nach Korrektur
48MHz clock at TimePix 1 count corresponds to 20ns
Time-Abweichung in Einheiten von 10ns
An
zah
l E
reig
nis
se
Clustergröße [Anzahl Pixel]
@100MHz Taktfrequenz
Messung der Driftgeschwindigkeit
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•Korrektur basiert hier auf Korrelation von Clustergröße und Zeitdispersion
•Verlässlichkeit der Zeitmessung ist kritisch:10ns Sekunden Zeitauflösung entsprechen 325µm 10ns Sekunden Zeitauflösung entsprechen 325µm
Ortsauflösung in ArCOOrtsauflösung in ArCO22
• Entspricht gut der Simulation, siehe M. Hauschild:http://hausch.home.cern.ch/hausch/MediPix.htmlhttp://hausch.home.cern.ch/hausch/MediPix.html
Driftlänge [mm] Driftlänge [mm]Tim
ePix
Dri
ftze
it [
µs]
Tim
ePix
Dri
ftze
it [
µs]
Nachprozessierung des Chips
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• Vergrößerung der Pixel
• Ziel: mehr Ladung pro Pixel sammeln Herabsetzen der Herabsetzen der effektiven Schwelleeffektiven Schwelle
• Nach tieferem Verständnis der Resultat prozessieren von TimePix(en)
davor danach
Nachprozessierung auf einem Nachprozessierung auf einem einzelnen Chipseinzelnen Chips
55x55µ55x55µmm22
110x110µ110x110µmm22
Fe55-Cluster
Ru106-Spuren Cluster
Zusammenfassung und Ausblick
• 0 kleiner 20µm gemessen und überprüft.
• Zeitauflösung von weniger als 10ns erreicht.• Viel über die systematischen Einflüsse der diskreten GEM-Struktur
gelernt.• Erfolgreiche Technik zur Nachprozessierung verfügbar gemacht.• Messungen mit Lasertestaufbau• Vergleich 55x55µm2, 110x110µm2 und
220x220µm2 Pixelgrößen• Optimieren der Nachprozessierung
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Backup Slides
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Insel-Cluster-Methode• Pixel mit höchstem TOT-Wert ist Startpunkt.
• Benachbarte Pixel mit nächsthöchstem TOT-Wert werden zu diesem hinzufügt.
• Für jeden verarbeiteten Pixel:
• überprüfen ob dieser Nachbar zu bereits existierendem Cluster ist.
• Falls nein, dann neuen Cluster anlegen.
• Validiert mit einem weiteren Verfahren zur Clusterrekonstruktion basierend auf der Suche nach Sattelpunkten in Projektion des Tracks auf die x-Achse.
• Verbesserung der ursprünglichen Clusterroutine basierend auf der Suche zusammenhängenden Gebieten.
Cluster 1
Cluster 2
Cluster 3
Messung der Gasverstärkung
mit kleinen GEMs
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Relativer Vergleich Relativer Vergleich der Verstärkung der Verstärkung
verwendeter Gaseverwendeter Gase
Nota bene: Für einzelne Photoelektronen ist die erreichbare Verstärkung mit einer einzelnen GEM größer als im rauen Umfeld reeller Spuren mit teilweiser hoher primären Ladungsablagerung z.B. durch s.
Spannung an HV-Versorgung [V]
Arbeitsbereich der Standard-GEMsArbeitsbereich der Standard-GEMsArbeitsbereich der Standard-GEMs
Entladungen
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F. Sauli, http://www.cern.ch/GDDF. Sauli, http://www.cern.ch/GDD
Aufgezeichnete Aufgezeichnete Entladungen. TimePix Entladungen. TimePix und GEMs überlebten…und GEMs überlebten…
•Bei gegebener Verstärkung Wahrscheinlichkeit für Entladungen in Multi-GEM-Konfiguration viel geringer als für einzelne GEM.
•Bei 6 Bei 6 × 10× 1044-facher Verstärkung Wahr--facher Verstärkung Wahr-scheinlichkeit für Entladung in Tripple-scheinlichkeit für Entladung in Tripple-GEM-Aufbau ≈2 × 10GEM-Aufbau ≈2 × 10-5 -5 in in
Mögliche Anwendung: TPC
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1. Geladenes Teilchen ionisiert Kammergas
2. Primärladung driftet entlang des E-Feldes zu den Endplatten
3. Zu E paralleles Magnetfeld reduziert transversale Diffusion und ermöglicht Messung des Teilchenimpulses
4.4. Proportionale Proportionale Vervielfachung der Vervielfachung der PrimärladungPrimärladung
5.5. Auslese des SignalsAuslese des Signals
Time Projection Time Projection Chamber (TPC)Chamber (TPC)
GEM –Erfahrungen in der Handhabung
• Daten mit feinstrukturierten GEMs aufgezeichnet.
• Größtmögliche Verstärkung vergleichbar für alle GEM- und GasartenIn allen Tests Gasverstärkung limitiert durch große und fluktuierende Ströme auf der letzten GEM (400nA). Hohe Ladungsdichte an der letzten GEM verursacht Entladung. Vergleichbar mit Entladung verursacht durch hohe Ionisierungsdichte z.B. durch Alphateilchen.
• Nota bene: für einzelne Elektronen signifikant höhere Gasverstärkung pro GEM erreichbar.
• Diskrete Natur der GEMs in Daten sichtbar Rotation der GEMs
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Einstellungen des TimePix
• 100MHz Taktfrequenz100MHz Taktfrequenz für aktuelle Messungen verwendet. Keine Auslesefehler für typische Ereignisse beobachtet.
• 100µs Shutterlänge (Großteil der Daten)• 10µs Shutterlänge (kleineres
Kontrollsample zur Überprüfung der Stabilität der Shutterlänge)
• Sorgfältige Abgleichung Sorgfältige Abgleichung der Chipschwelle über alle Pixel
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Gases under investigation
• “Standard” mixtures Ar/CO2 and He/CO2 (70/30)
• Ar/CH4/CO2 (93/5/2) (TDR-gas), high gain and fast drift velocity. But large transverse diffusion.
• He/CO2/C4H10 (68/30/2) and He/Ar/CO2 (10/60/30). Expected larger gain due to the Penning-effect and small transverse diffusion due to high fraction of CO2.
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GEM-Struktur (alt)
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•Keine derartige Struktur für größere Driftlängen als 1mm beobachtet, verschmiert durch transversale Diffusion.
•Keine Struktur beobachtet für Projektion senkrecht zum Strahl (Lochabstand hier 70μm) ! Rotiere die erste GEM Rotiere die erste GEM
•Projektion entlang Spur (x-Projektion) für Spuren zwischen 0mm-1mm Driftlänge nahe oberster GEM
•Nutze Fourier TransformationFourier Transformation – periodische Struktur bei 1/8.39mm entspricht 119μm, unabhängig von der Abtastrate (Anzahl der Stützstellen der FFT).
FFTFFT
Abtastfrequenz 0.454mm-1
Signal bei (8.39±0.04)mm-1
y = 0mm – 1mm
Räumliche Frequenz [1/mm]
Neue Rahmen für kleine GEMs
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124mm
35mm
Öffnung für Öffnung für den Chipden Chip
35x34mm2 Sicherheits-abstand zur aktiven GEM-Fläche
Separate Zuleitung an Separate Zuleitung an obere, aktive Fläche obere, aktive Fläche der GEM zur der GEM zur Strommessung.Strommessung.
Unterseite ist durch Vias verbunden.
Beidseitige Kupferelektroden gewährleisten Homogenität der Drift-, Transfer-und Induktionsfelder
GEM Struktur (neu)
Nach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindetNach Drehung um 90°: Signal in FFT verschwindet
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FFTFFTKein Signal
Erwartete GEM Struktur nun kleiner um Faktor 70/120 höhere Abtastfrequenz
Räumliche Frequenz [1/mm]
durchdurch
Bereinigen des Untergrundes
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•Entferne Doppelspuren auf TimePix mit Hilfe Projektion entlang Spur (z)-Achse oder doppelten Treffern auf Siliziumteleskop. Hauptursache für Untergrund.
nachnach
6m
m
Si-
Te
les
ko
p A
DC
K
an
äle
Bereinigen des Bereinigen des UntergrundsUntergrunds
TimePix number of pixel
TimePix Anzahl Pixel
Daten aus Messung 220607_007
•Säuberung falsch zugeordneter Säuberung falsch zugeordneter Spuren TimePix Spuren TimePix Teleskop durch Teleskop durch Ausnutzen der “xx-Korrelation”.Ausnutzen der “xx-Korrelation”.
•Informationen aus Time-Modus noch nicht ausgenutzt
Si-
Te
les
ko
p A
DC
K
an
äle
vorvor
Position der Position der DriftkathodeDriftkathode
DESY Test Beam June 2007
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ee-- beam DESY II beam DESY II
GEM:GEM:10 * 10 cm10 * 10 cm22
TimePixTimePix
Trigger (Szintill.) &Si-Teleskop
Several mixtures Several mixtures studied:studied:
Ar/CO2 (70:30)He/CO2 (70:30)
He/CO2/C4H10 (68:30:2)Ar/He/CO2 (60:10:30)
TDR
Störungsfreier Störungsfreier Betrieb des Betrieb des
TimePix-GEM-TimePix-GEM-AufbausAufbaus
Zwei verschiedene GEM Zwei verschiedene GEM Arten getestet:Arten getestet:
Standard 100x100mm2 GEMs mit 140µm
Lochabstand
Feinstrukturierte GEMs 24x28mm2 mit 50µm 50µm
LochabstandLochabstand
Schematischer Überblick
340mm
Si-TeleskopSi-Teleskop
Si-TeleskopSi-Teleskop
GEM-Stapel mit GEM-Stapel mit TimePixTimePix
StrahlStrahl
6mm Driftvolumen
1.8mm Abstand für die beiden Transfer- und die Induktionsregion
yz
x
Trippel GEM-Anordnung Trippel GEM-Anordnung gezeigt für feinstrukturierte gezeigt für feinstrukturierte GEMsGEMs
Alle GEMs mit Alle GEMs mit Strommessgeräten Strommessgeräten überwachtüberwacht
Mit kleinen GEMs aufgezeichnete Spuren
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Verstärkung mit feinstrukturierten GEMs bei Verstärkung mit feinstrukturierten GEMs bei VVGEM GEM 346V 346V vergleichbar mit vergleichbar mit VVGEMGEM 403V der Standard-GEMs. 403V der Standard-GEMs.
Ar/CO2
New Trigger Scheme
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Latch improves synchronization of telescope and Latch improves synchronization of telescope and GEM/TimePix setup to almost 100% GEM/TimePix setup to almost 100%
Many thanks to Bonn!
Resolution of small pitched GEMs
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Ar/CO2
Estimated for the integrated drift volume of 6mmMeasured with 5GeV e-
Compare to mean 50µm with standard GEMs
Tracks recorded with small pitched GEMs
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Ar/CO2
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TOT [clock counts]
Tim
e [
clo
ck
co
un
ts]
Bar Führer Freiburg• Montag: Kein Plan, kämpf ich als immer
noch mit den Nachwehen von Samstag
• Dienstag: DPG-Empfang (günstiger geht’s nicht)
• Mittwoch: Irish Pub‘s Isle of Innisfree • Donnerstag: Qowaz 1€ Party Bacio inT.-
Neustadt• Freitag: Abreisetag? Sonst guter
Starpunkt Baltinos o. KGB• Samstag: Absturz im Tacheles
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