Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen für eine TPC
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Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen für eine TPC Michael Weber III. Physikalisches Institut B DPG-Tagung Fachbereich Teilchenphysik Aachen 12. März 2003 Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 1 Motivation der Simulationen Warum machen wir überhaupt Simulationen? Besseres Verständnis der Prozesse in GEMs Sammlung von Elektronen und Ionen Extraktion von Elektronen und Ionen Gasverstärkung Verhalten in B-Feldern Ionenrückdrift Entwicklung eines Modells Systematische Optimierung des GEM-Setups Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 2 Elektrostatische Simulationen Erster, einfacher Ansatz: Ladungsträger folgen den elektrischen Feldlinien Simulation des elektrischen Feldes mit MAXWELL von Ansoft Berechnung der Transferkoeffizienten aus dem elektrischen Fluss Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 3 Elektrischer Fluss in einem GEM-Modell FKathode=D+FK FK D FK D Coben= D+F K F =1- F K Kathode ED niedriges Feld Z Z UGEM FLoch=D+R+Z Xunten= hohes Feld EI = FA R D R D+R D+R+Z FAnode - FA FLoch FA FAnode=D+R+FA Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 4 Elektrostatische Simulation Vorhersagen der elektrostatischen Simulation: Verhalten unabhängig vom Gas Verhalten für Elektronen und Ionen gleich Abhängigkeit von der Geometrie Man erhält relativ einfache Parametrisierungen für die Transferkoeffizienten Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 5 Erster Vergleich zur Messung Sammel- und Extraktionseffizienz Sammel-, Extraktionseffizienz 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Messung Sammeleffizienz in Ar/CO2 Messung Extraktionseffizienz in Ar/CO2 Elektrostatische Simulation Sammeleffizienz Elektrostatische Simulation Extraktionseffizienz 0 0 2000 Michael Weber 4000 6000 Eext [V/cm] 8000 10000 Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 6 Ladungstransfer in verschiedenen Gasen Unterschiede zwischen Ar/CO2 und Ar/CH4 (Elektronen) 1.2 Sammeleffizienz in ArCO2 Sammeleffizienz in Ar/CH4 Extraktionseffizienz in Ar/CO2 Extraktionseffizienz in ArCH4 Simulation Sammlung Simulation Extraktion Sammel-, Extraktionseffizienz 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.01 0 0.01 Michael Weber 0.02 0.03 0.04 0.05 E_Ext / E_H 0.06 0.07 0.08 0.09 Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 7 Ladungstransfer von Elektronen und Ionen Unterschiede zwischen Elektronen und Ionen in Ar/CH4 1.2 Sammlung Elektronen Extraktion Elektronen Sammlung Ionen Extraktion Ionen Sammel-, Extraktionseffizienz 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 E_Ext / E_Hole Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 8 Ergebnis der Elektrostatischen Simulation Vertieft das Verständnis der Abläufe Liefert die richtige Geometrieabhängigkeit Liefert mit recht einfachem Ansatz qualitativ richtige Ergebnisse Kann keine Gaseffekte berücksichtigen Kann den Unterschied zwischen Elektronen und Ionen nicht erklären Beinhaltet kein Magnetfeld ⇒ Monte Carlo Simulation Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 9 Monte Carlo Simulation mit Garfield Möglichkeiten von Garfield Kann Fieldmaps von Maxwell verwenden Berücksichtigt Diffusion in Gasen Ist in der Lage auch das Verhalten von Ionen zu simulieren Berechnungen in Magnetfeldern sind möglich Gasverstärkungseffekte können berücksichtigt werden Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 10 Monte Carlo Simulation mit Garfield Diffusion in Ar/CO2 82/18 und Ar/CH4 95/5 Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 11 Monte Carlo Simulation der Extraktion Simulation der Extraktion von Elektronen 0.5 Extraktionseffizienz 0.4 0.3 0.2 0.1 Elektrostatische Simulation Monte Carlo Simulation in Ar/CO2 Messung in Ar/CO2 Monte Carlo Simulation in Ar/CH4 Messung in Ar/CH4 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Ee/Eh Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 12 Monte Carlo Simulation der Sammlung Simulation der Sammlung von Elektronen in Ar/CO2 1.1 1 Sammlungseffizienz 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 -0.01 Messung Monte Carlo Simulation Elektrostatische Simulation 0 0.01 Michael Weber 0.02 0.03 Ee/Eh 0.04 0.05 0.06 0.07 Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 13 Schrittweitenuntersuchung Sammlung in Abhängigkeit der Schrittweite Konstante Schrittzeit (default) Konstante Schrittlaenge 0.1 micron Konstante Schrittlaenge 0.05 micron Konstante Schrittlaenge 0.01 micron Konstante Schrittlaenge 0.005 micron 1 0.95 Sammeleffizienz 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Ed Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 14 Zusammenfassung Elektrostatisches Modell trägt elementar zum Verständnis bei Ergebnisse qualitativ richtig Garfield Simulationen berücksichtigen Gaseffekte und Magnetfeld Für Extraktion sehen die Ergebnisse schon sehr vielversprechend aus Die Sammlung wird noch nicht richtig reproduziert Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 15 Ausblick Weitere Studien zur Sammlung Studien zum Verhalten in Magnetfeldern Simulation des Verhaltens von Ionen Untersuchung der Gasverstärkung Optimierung der Ionenrückdrift Abschätzung der erlaubten Ionenrückdrift Michael Weber Numerische Simulationen von GEM-Auslesestrukturen f ür eine TPC 16
