Bachelorarbeit Gasmonitorkammer der T2K-Bauart
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Gasmonitorkammer der T2K-Bauart Integration und Inbetriebnahme Bachelorarbeit in Physik von David Rittich angefertigt im III. Physikalischen Institut B vorgelegt der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH Aachen bei Priv. Doz. Dr. Stefan Roth Zweitgutachter: Prof. Dr. Achim Stahl im September 2011 Danksagung Ich möchte mich hiermit bei allen bedanken, die mir diese Arbeit ermöglicht haben und mir während der Bearbeitung geholfen haben: • Bei Priv. Doz. Dr. Stefan Roth für das interessante Thema und die hilfreichen Anregungen bei der Diskussion von Ergebnissen. • Bei Dipl.-Phys. Jochen Steinmann bedanke ich mich für eine sehr gute Betreuung, für die Unterstützung bei der Lösung von Problemen und der Hilfestellung bei der Anfertigung dieser Arbeit. • Bei Paul Malek für die gute Zusammenarbeit im Labor, die Hilfe beim Bau der Kammer und den Gedankenaustausch bei schwierigen Situationen, die uns zumeist zielführend weitergebracht haben. • Bei der restlichen T2K-Arbeitsgruppe an der RWTH, namentlich noch Dr. Karim Laihem, Dipl.-Phys. Dennis Terhorst, Teja Wrobel, Lucas Lange und Lukas Flötotto, bei ihnen bedanke ich mich für die gemeinsame Besprechungen, die immer wieder neue Ideen hervorbrachten. • Bei den Werkstätten, stellvertretend bei Herrn Jahn bei der mechanischen Werkstatt und Dipl.-Ing. Franz Beissel bei der elektrischen Werkstatt. Der gesamte Bau der Kammer wäre ohne ihre präzise und schnelle Arbeit nicht möglich gewesen. Des Weiteren danke ich ihnen dafür, dass kurzfristige Nachbearbeitungen schnell ausgeführt wurden, um so ein schnelles Arbeiten zu ermöglichen. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 T2K-Experiment . . . . . . . . . . . . 1.1.1 TPC . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Gasdetektoren . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Teilchendurchgang durch Gase 1.3.2 Drift von Elektronen in Gasen 1.3.3 Gasverstärkung in Gasen . . . 2 Gasmonitorkammer 2.1 Aufbau der Gasmonitorkammer . . . 2.1.1 Grundprinzip . . . . . . . . . 2.1.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . 2.2 MicroMegas . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Driftgeschwindigkeitsmessung 2.3.2 Gasverstärkungs-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Messungen mit der Gasmonitorkammer 3.1 Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.1 Driftgeschwindigkeit . . 3.1.1.2 Gasverstärkung . . . . . 3.1.2 ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.1 Driftgeschwindigkeit . . 3.1.2.2 Gasverstärkung . . . . . 3.2 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 5 7 7 8 8 . . . . . . . 10 10 10 11 15 16 16 17 . . . . . . . . 20 20 20 20 23 24 24 25 27 2 INHALTSVERZEICHNIS 4 Die 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Feldabhängigkeit der Gasverstärkung Entdeckung der Feldabhängigkeit der Gasverstärkung . Mögliche Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erklärungsmöglichkeit durch Diffusion . . . . . . . . . Diffusionszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Preshape32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 28 28 30 34 37 37 40 43 5 Zusammenfassung 44 A Weitere Plots 50 B Bilder der Kammer 58 C Benutzte Quellen 62 C.1 Sr90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 C.2 F e55 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 D Benutzte Gase 63 D.1 ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 D.2 T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 D.3 P5-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Kapitel 1 Einleitung Die Gasmonitorkammern nach T2K Bauart wurden zur gleichzeitigen Überwachung der Driftgeschwindigkeit und Gasverstärkung der Driftgase in den TPC’s des T2K-ND280 Detektors entwickelt. 1.1 T2K-Experiment Das T2K-Experiment (Tokai to Kamiokande) ist ein Long-Baseline-Neutrinoexperiment, das in Japan aufgebaut ist. Es wird die Neutrinooszilation von Myon-Neutrinos zu ElektronNeutrinos untersucht, mit dem Ziel, den noch unbekannten Mischungswinkel θ13 herauszufinden beziehungsweise die bisherige Abschätzung zu verbessern. Der Ausgangspunkt des Experimentes ist in Tokai der Protonenbeschleuniger im J-PARC (Japanese Proton Accelerator Research Complex). Dort wird der Neutrinostrahl erzeugt. Dieser passiert zunächst den 280 Meter entfernten Nahdetektor ND280, um danach im 295 km entfernten Super-KamiokandeDetektor vermessen zu werden (Abbildung 1.1). Der Super-Kamiokande-Detektor ist ein Wasser-Cherenkov-Detektor, der mit 50 kT hochreinem Wasser gefüllt ist. 11000 Photomultiplier beobachten das gesamte Volumen. Mit diesen PMTs wird das Cherenkov-Licht nachgewiesen und daraus werden dann die Reaktionen rekonstruiert. 1.1.1 TPC Der ND280 (Abbildung 1.2) ist ein aus mehreren Subdetektoren zusammengesetzter Teilchendetektor. In diesem soll der Energieverlust, der Impuls und die Ladung der darin erzeugten Teilchen gemessen werden. Des Weiteren werden die Trajektorien der Teilchen aufgezeichnet. Aus den gemessenen Daten lassen sich Rückschlüsse auf die Reaktionen ziehen. 3 4 KAPITEL 1. EINLEITUNG Abbildung 1.1: Übersicht über das T2K Experiment. Oben auf dem Satelliten-Bild ist der Ort des Super-Kamiokande Detektors zu sehen, darunter in der Zeichnung kann man die Flugkurve des Neutrinostrahls nachvollziehen und darunter sieht man in einem Satelliten-Bild den Ort des J-PARC’s in Tokai [5] Ein Teil des ND280 sind die drei TPC’s (Time Projektion Chamber). Dies sind große Gasdetektoren, in welchen die Spurrekonstruktion, Messung des Energieverlustes und Impulsbestimmung erfolgen. Um den Impuls zu bestimmen, befindet sich der gesamte Tracker, unter anderem auch die TPC’s, des ND280 in einem großen Magneten. Gasverstärkung und Driftgeschwindigkeit sind wichtige Parameter einer TPC, die im laufenden Betrieb konstant sein sollen. Um dies zu überprüfen, sind an die TPC’s Gasmonitorkammern angeschlossen. Außerdem werden mit den Gasmonitorkammern sehr früh Veränderungen im Gas registriert. So kann auf solche Veränderungen schnell reagiert werden. 1.2. GASDETEKTOREN 5 Abbildung 1.2: Übersicht über den ND280 Detektor [2] 1.2 Gasdetektoren Gasdetektoren sind mit Gas gefüllte Teilchendetektoren, welche einen Teilchendurchgang anhand seiner Ionisationsspur nachweisen können. Der prinzipielle Aufbau eines Gasdetektors ist sehr einfach, er besteht aus einem gasgefüllten Raum, an den ein elektrisches Feld angelegt wird. Es ist zu beachten, dass für einen Teilchennachweis das Teilchen eine Mindestenergie braucht, um überhaupt eine Ionisationsspur im Detektor zu erzeugen. Für T2K-Gas1 liegt dieser Wert bei ca. 26 eV, die zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Paares nötig sind. Gasdetektoren können vielfältig für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Dabei ist das Hauptunterscheidungskriterium das angelegte elektrische Feld (Abbildung 1.3). 1 siehe Anhang D.2 6 KAPITEL 1. EINLEITUNG Abbildung 1.3: Operationsmoden von Gasdetektoren ([6]) Die einzelnen Bereiche sind wie folgt aufgeschlüsselt (Kurve A für α-Teilchen, Kurve B für β-Teilchen): I. Rekombination: In diesem Bereich rekombinieren die erzeugten Elektronen-Ionen-Paare nach der Ionisation wieder, da das elektrische Feld zu klein ist, um diese direkt zu trennen. In diesem Bereich ist kein Teilchennachweis möglich. II. Ionisationskammer: An dieser Stelle ist das elektrische Feld groß genug, um die ElektronenIonen-Paare zu trennen, wie in allen weiteren Bereichen auch. Dabei wird nur die Elektronenbzw. Ionenmenge detektiert, die auch in der Ionisationsspur als Primärionisation erzeugt worden ist. III. Proportionalitätskammer: Der Unterschied zur Ionisationskammer ist, dass das elektrische Feld so groß ist, dass die driftenden Elektronen stark beschleunigt werden. Dies führt dazu, dass sie weitere Atome durch Stöße ionisieren können. Dabei bleibt die nachgewiesene Ladungsmenge proportional zur Primärionisation. 7 1.3. GASTHEORIE IV. Bedingt Proportional: In diesem Bereich ist die Ladungsmenge nur noch bedingt proportional zur Primärionisation. V. Geiger-Müller-Zähler: In diesem Fall ist die angelegte Spannung so groß, dass nach der Primärionisation die Elektronen so hohe Energie erreichen, dass sie lawinenartig andere Gasatome in der Kammer ionisieren. Beim Geiger-Müller-Zähler reicht die Feldstärke außerdem aus, dass neben den Elektronen auch UV-Photonen erzeugt werden. Diese Photonen wiederum sind in der Lage, Gasatome zu ionisieren, sodass das Signal nicht mehr proportional zur Anzahl der Primärelektronen ist. In diesem Fall können sehr gut alle Teilchen, die den Detektor außerhalb der Totzeit durchfliegen, nachgewiesen werden, es kann jedoch keine Aussage mehr über ihre Energie getätigt werden. VI. Endladungsbereich: In diesem Bereich werden die Gasatome in der Kammer ohne Teilchendurchgang allein durch das angelegte elektrische Feld ionisiert. Es ist kein Teilchennachweis mehr möglich. 1.3 1.3.1 Gastheorie Teilchendurchgang durch Gase Wenn ein Teilchen Materie durchquert, verliert es Energie. Dieser Energieverlust pro Wegstrecke wird durch die Bethe-Bloch-Formel [4] beschrieben. −< dE Z 1 2me c2 β 2 γ 2 Tmax >= Kz 2 [ ln( ) − β2] dx Aβ 2 2 I2 (1.1) wobei K z Z A β me c γ 4πNA re2 me c2 = 0, 307 MeV cm2 Ladungszahl des Teilchens Ladungszahl des Absorbers Molare Masse des Absorbers v c Masse des Elektrons Lichtgeschwindigkeit p 1 − β2 Bei dieser Durchquerung wird nach der Formel Energie in der Materie deponiert, die dann, bei Gasen im Bereich kleiner Energien, dazu verwendet wird, die Atome anzuregen oder sogar zu ionisieren. Wenn die Primärionisation durch ein Photon erfolgt, entsteht zunächst nur ein hochenergetisches Elektron, welches danach weitere Elektronen erzeugt. Wenn die Primärionisation durch 8 KAPITEL 1. EINLEITUNG ein Elektron erfolgt, bleibt dieses nach dem Stoß als freies Elektron erhalten und kann noch genug Energie haben, weitere Sekundärelektronen zu erzeugen. 1.3.2 Drift von Elektronen in Gasen Wenn geladene Teilchen in ein elektrisches Feld gebracht werden, beginnen sie zu driften. Dieses Driftverhalten in Gasen hängt vom verwendeten Gas, der Stärke des elektrischen Feldes und weiteren äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel dem Wassergehalt im Gas ab. Beim Driften werden die Teilchen durch das elektrische Feld beschleunigt, treffen dann auf Atome, werden beim Stoß abgebremst und beschleunigen danach wieder. Daraus ergibt sich eine mittlere Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen im Gas fortbewegen. Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen kann durch folgende Formel [7] beschrieben werden e ~ · τ ((|E|)). ~ vd = ·E (1.2) 2 · me Dabei ist τ die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen und hängt sowohl von der Teilchendichte n= N V , als auch von deren Streuquerschnitt σ ab. Für die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen ergibt sich τ = n · σ· < ve > . (1.3) Dabei ist < ve > die mittlere Geschwindigkeit von Elektronen. Mit Hilfe der Teilchendichte und der Idealen Gasgleichung (Gleichung 1.4) kann die Abhängigkeit der Driftgeschwindigkeit der Elektronen von Druck und Temperatur ausgedrückt werden. p · V = N · kB · T ⇒n= ⇒ vd = (1.4) N p = V kB · T e · kB · T 1 ~· ·E . ~ 2 · me · p· < ve > σ((|E|)) (1.5) Anhand dieser Formel erkennt man, das die Driftgeschwindigkeit proportional zur Temperatur und antiproportional zum Druck ist. Gleichzeitig erkennt man, dass die Driftgeschwindigkeit vom elektrischen Feld abhängt. Da jedoch der Streuquerschnitt auch vom elektrischen Feld abhängt, kann keine direkte Proportionalität zwischen der Driftgeschwindigkeit und dem elektrischen Feld festgestellt werden. 1.3.3 Gasverstärkung in Gasen Gasverstärkung tritt dadurch auf, dass ein Gasatom von einem Elektron oder Photon ionisiert wird und sich dieses Elektron danach mit einer Energie entfernt, die groß genug ist, weitere Gasatome zu ionisieren. 1.3. GASTHEORIE 9 Wenn, wie in unserem Fall, ein äußeres elektrisches Feld anliegt, tritt dieser Effekt verstärkt auf, da die ionisierten Elektronen durch dieses elektrische Feld nach der Erzeugung oder nach dem Stoß wieder beschleunigt werden. Gasverstärkung tritt aber nur auf, wenn das elektrische Feld groß genug ist, die Elektronen wieder auf eine Energie zu bringen, die größer als die Ionisationsenergie der Gasatome ist. Kapitel 2 Gasmonitorkammer 2.1 Aufbau der Gasmonitorkammer Die Gasmonitorkammern der T2K-Bauart wurden zur gleichzeitigen Überwachung von Gasverstärkung und Driftgeschwindigkeit in Gasen konstruiert. Die in dieser Bachelorarbeit beschriebene Kammer wurde von Prof. Dr. Achim Stahl, Priv. Doz. Stefan Roth, Dr. Karim Laihem, Dipl.-Phys. Dennis Terhorst und Dipl.-Phys. Jochen Steinmann konstruiert [1]. Die vorherigen Kammern wurden von Dipl.-Phys Jochen Steinmann und Teja Wrobel [2, 3] in Betrieb genommen und getestet. 2.1.1 Grundprinzip Die Gasmonitorkammer ist ein gasgefüllter Raum (vgl. Abbildung 2.1), in den durch radioaktive Quellen Elektronen oder Photonen eingestrahlt werden. Dabei haben sowohl Elektronen als auch Photonen eine Energie, die groß genug ist, um entlang ihrer Flugspur die Gasatome zu ionisieren. Die beiden Sr90 −Quellen1 sind β − −Strahler, die Elektronen erzeugen, welche für die Driftgeschwindigkeitsmessung genutzt werden. Die F e55 −Quelle2 hingegen erzeugt durch eine Sekundärreaktion bei einem k-Einfang die Photonen, die zur Messung der Gasverstärkung nötig sind. Der zweite wichtige Bestandteil einer Gasmonitorkammer ist das elektrische Feld innerhalb der Kammer, das dazu benutzt wird, um die Elektronen in den Nachweisort zu driften. 1 2 siehe Anhang C.1 siehe Anhang C.2 10 2.1. AUFBAU DER GASMONITORKAMMER 11 Abbildung 2.1: Schematischer Aufbau der Gasmonitorkammer [1] 2.1.2 Aufbau In Abbildung 2.2 ist eine Ansicht der Gasmonitorkammer aus gezeigt. Die einzelnen Bauteile der Kammer lassen sich hier gut erkennen. Man sieht auf der linken Seite die Kathodenseite, auf welcher sich die F e55 −Quelle befindet und auf der rechten Seite entsprechend die Anodenseite, an welcher die Auswerteelektronik angebracht ist. Oben auf der Kammer kann man die Sr90 −Quellen (1) sehen. Die Kammer ist in diesem Fall aus der y-Richtung betrachtet. Die Kaptonfolie (3), auf welcher sich die Feldstreifen befinden, bedeckt, wie in Abbildung 2.5 zu sehen, die gesamte Wand des Driftraums. Mit den Feldstreifen wird das elektrische Feld im Inneren erzeugt. An den Enden der Feldstreifen sind Widerstände angebracht, welche als Spannungsteiler für das richtige Driftfeld sorgen. So kann das Driftfeld besonders homogen eingestellt werden. Die Triggerelektronik für die Driftgeschwindigkeit verbirgt sich in den schwarzen Boxen (2). In diesen Boxen befindet sich jeweils ein Silizium-Photomultiplier und die dazugehörige Verstärkerschaltung. Die SiPM’s sind über eine szintilierende Faser miteinander verbunden, welche in den Boden der Kammer eingebaut ist. 12 KAPITEL 2. GASMONITORKAMMER Abbildung 2.2: Ansicht Gasmonitorkammer Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bauteil radioaktive Sr90 −Quellen Boxen mit Silizium-Photomultiplier Kaptonfolie mit Feldstreifen und Widerständen Hochspannungsversorgung MicroMegas Hochspannungsversorgung Kathode Spannungsversorgung SiPM’s, Verstärkerschaltung und Slow Monitoring (Temperatur) Gaseinlass Spannungsversorgung des Bufferboards und des Preshapes Funkenstrecke zur Absicherung von Spannungsüberschlagen Tabelle 2.1: Erläuterung zu Abbildung 2.2 2.1. AUFBAU DER GASMONITORKAMMER 13 Auf der Kathodenseite (Abbildung 2.3) ist neben der Verkabelung, die F e55 Quelle (1) zu sehen, welche zur Messung der Gasverstärkung genutzt wird. Abbildung 2.3: Kathodenseite Nummer 1 2 3 4 5 6 Bauteil radioaktive F e55 Quelle Versorgung der SiPM-Boxen Spannungsversorgung des Bufferboards Hochspannungsversorgung der Kathode Gasauslass Erdung der gesamten Kammer (testweise) Tabelle 2.2: Erläuterung zu Abbildung 2.3 Auf der Anodenseite Abbildung 2.4 ist die gesamte Nachweis- und Ausleseelektronik angebracht. Diese besteht aus dem Bufferboard (1), dem Preshape32 (2) und der Adapterplatine. 14 KAPITEL 2. GASMONITORKAMMER Die Adapterplatine fasst die einzelnen Pads der Micromegas zusammen und leitet die Signale auf den Preshape32 weiter. Im Preshape werden diese dann verstärkt und geformt . Als letztes wird das Signal noch einmal vom Bufferboard verstärkt und gleichzeitig für den Eingang des ADC’s3 angepasst. Abbildung 2.4: Anodenseite der Kammer 3 ADC für Analog-to-Digital-Converte 15 2.2. MICROMEGAS Nummer 1 2 3 4 5 6 Bauteile Bufferboard Preshape Gaseinlass Hochspannungsversorgung des MicroMegas Erdung Adapterplatine Stromversorgung des Bufferboards Tabelle 2.3: Erläuterung Abbildung 2.4 Abbildung 2.5: Einsicht von der Kathodenseite in den Driftraum mit Blick auf die Micromegas 2.2 MicroMegas Die MicroMegas4 (Abbildung 2.5) ist das zentrale Bauteil in dieser Monitorkammer. Sie besteht aus einem Edelstahlgitter (Mesh) und der Auslese-Fläche (Anode) mit einem Abstand von 128 µm. Der Abstand zwischen den Gitterdrähten beträgt 36 µm. Am Gitter wird eine Spannung von 350 V - 460 V angelegt. Durch den geringen Abstand zwischen Mesh und den Pads entsteht ein sehr hohes elektrisches Feld von ca. 37 kV/cm. Bei so hohen Feldern entsteht Gasverstärkung. Diese ist ein Phänomen, welches gemessen werden soll. Für die Drift4 MicroMesh gaseous Strukture 16 KAPITEL 2. GASMONITORKAMMER geschwindigkeitsmessung ist sie aber auch nötig, um die driftenden Elektronenpakete soweit zu verstärken, dass ein Spannungspuls erzeugt wird, welcher nachgewiesen werden kann. Die Anode selbst ist in Pads unterteilt, wie in Abbildung 2.5 zu erkennen ist. Diese Pads sind für die Auslese in größere Felder zusammengeschlossen (Abbildung 2.6). Eine Vierergruppe (1) wird zur Messung der Gasverstärkung genutzt, der umgebende Ring (2) dient dabei als Veto. Dieses soll verhindern, dass Elektronen aus der Driftgeschwindigkeitsmessung das Signal stören. Aus diesem Grund wird bei einer zu großen Ladungsmenge auf dem Ring das Ereignis verworfen. Die Streifen 3 bis 6 werden zur Messung der Driftgeschwindigkeit genutzt. Die vertikale Stapelung der Streifen ist dafür da, dass die Driftgeschwindigkeit auf mehreren Kanälen gemessen werden kann. Da die Elektronen aus der Sr90 −Quelle die Kammer in senkrechter Richtung durchqueren und entlang ihrer gesamten Spur in der Kammer gleichmäßig Elektronen und Ionen entstehen, welche dann zur MicroMegas driften, sollten alle vier Kanäle der Driftgeschwindigkeit das gleiche Signal liefern. Abbildung 2.6: MicroMegas 2.3 2.3.1 Messprinzip Driftgeschwindigkeitsmessung Zur Messung der Driftgeschwindigkeit von Elektronen in Gasen werden in die oberen Quellenhalter zwei Sr90 −Quellen eingeschraubt. Die Elektronen treffen nach Durchqueren der Kammer auf die Faser. In dieser werden durch Szintilation Photonen erzeugt, welche durch die 17 2.3. MESSPRINZIP Faser auf die beiden Silizium-Photomultiplier geleitet werden. Die Signale dieser beiden Photomultiplier dienen in Koinzidenz als Trigger. Die im Driftraum erzeugten Gasionen und Elektronen beginnen in der Kammer durch das angelegte homogene elektrische Feld zu driften. An der Anode werden mit der MicroMegas die Elektronen detektiert. Zur Auswertung wird dann der zeitliche Schwerpunkt des erzeugten Spannungspulses in ein Histogramm eingetragen, wobei der zeitliche Nullpunkt der Triggerzeitpunkt ist. In diesem Histogramm (Bsp. siehe Abbildung 2.7) wird die Häufigkeit von solchen Spannungspulsen gegen die Zeit aufgetragen. Aus diesem Histogramm wird dann die Driftzeit ∆t mit Hilfe von zwei Peak-Findern bestimmt. Dabei wird die Differenz der beiden Mittelwerte genommen und aus dem Fehler auf den Mittelwert wird dann der Fehler auf die Zeit bestimmt. Diese Zeit entspricht der Zeitdifferenz, welche die Elektronenpakete der ersten Quelle länger zum Micromegas brauchen als die Elektronenpakete der zweiten Quelle. Für eine sinnvolle Messung werden mindestens 100 Einträge benötigt. Mit dieser Zeit und dem bekannten Abstand zwischen den beiden Quellen, welcher ∆s = 120, 4 mm ± 0, 1 mm beträgt, kann dann die Driftgeschwindigkeit mit folgender Formel berechnet werden ∆s vd = . (2.1) ∆t Der Fehler wird wie folgt bestimmt s σvd = 2.3.2 σ∆s · 1 ∆t 2 + σ∆t · ∆s ∆t2 2 . (2.2) Gasverstärkungs-Messung Um die Gasverstärkung zu messen, wird mit Hilfe des QDC’s5 die Anzahl der Elektronen gemessen, die auf die Anode auftreffen. Die Gasverstärkung ist definiert als Γ= Ngemessen . Nprimär (2.3) Dabei wird zunächst aus der abgestrahlten Energie der F e55 −Quelle die Anzahl der Primärelektronen bestimmt. Diese ist der Quotient aus der Energie der Photonen und der mittleren Energie, die zur Erzeugung eines Ion-Elektronen-Paares benötigt wird (Wβ ) Nprimär = 5 QDC für Charge-to-Digital Converter EP hoton . Wβ (2.4) 18 KAPITEL 2. GASMONITORKAMMER Abbildung 2.7: Histogramm zur Bestimmung der Driftgeschwindigkeit Die F e55 −Quelle erzeugt Photonen mit zwei verschiedenen Energien6 , wobei die Energien sehr nah beieinander liegen (590 keV und 649 keV ). Diese Photonen werden in die Kammer eingestrahlt und ionisieren dort die Gasatome. Das daraus entstehende Elektron hat genug Energie, um weitere Gasatome zu ionisieren, wodurch es zu der Bildung von weiteren freien Elektronen kommt. Da die beiden Photonen verschiedene Energien haben, entstehen zwei unterschiedlich große, gaußisch verteilte Elektronenpakete. Diese driften zur MicroMegas, wo es dann zur Gasverstärkung kommt. Nach dieser Messung wird die Anzahl der registrierten Elektronen in ein Histogramm (Abbildung 2.8) eingetragen und gegen die Häufigkeit aufgetragen, wie oft diese Anzahl an Elektronen gemessen worden ist. Nach dem Eintragen einer ausreichend großen Anzahl von Messpunkten wird mit einem Peakfinder in dem Histogramm der Mittelpunkt des höchsten Peaks bestimmt. In diesem Histogramm kann man zusätzlich das Rauschen des QDC’s ganz am Anfang des Histogramms erkennen. Der große Peak resultiert aus den Elektronen, welche von dem Photon mit der kleineren Energie kommen. Dies liegt daran, dass diese Photonen deutlich häufiger (9 mal so häufig siehe Abschnitt C.2) auftreten, als die Photonen mit der höheren Energie. Nun wird diese Anzahl durch die berechnete Anzahl an Primärelektronen geteilt und das Ergebnis ist die Gasverstärkung. Der Fehler auf die Gasverstärkung wird aus der Breite des Peaks bestimmt σNgemessen σΓ = . (2.5) NP rimär 6 siehe Anhang C.2 2.3. MESSPRINZIP 19 Der kleine Peak ist der Argon-Escape-Peak, wobei dieser auf Grund seiner Energie sein Maximum eigentlich in Kanal 400 haben müsste. Wahrscheinlich liegt diese Verschiebung an Nichtlinearitäten in der Ausleseelektronik. Der zweite Peak, von den hochenergetischen Photonen, geht in der Breite des großen Peaks verloren, müsste sich aber in dessen rechten Ausläufer befinden. Abbildung 2.8: Histogramm zur Bestimmung der Gasverstärkung Kapitel 3 Messungen mit der Gasmonitorkammer 3.1 Messergebnisse Um die volle Funktionsfähigkeit der neuen Gasmonitorkammer zu überprüfen, wurden einige Messreihen aufgenommen und diese danach mit Simulationen und Messungen der alten Kammer verglichen. Das Ziel ist es, zu zeigen, dass die neue Gasmonitorkammer die gleichen Messwerte wie die alte Kammer liefert und diese Ergebnisse mit der Simulation übereinstimmen. 3.1.1 3.1.1.1 T2K-Gas1 Driftgeschwindigkeit Im ersten Schritt der Driftgeschwindigkeitsmessung werden in ein 2D-Histogramm die Messergebnisse der einzelnen Driftgeschwindigkeitsmessungen eingetragen (Abbildung 3.1). Dort kann man erkennen, dass alle Messwerte in einem akzeptablen Rahmen von ±1% um einen Mittelwert streuen. Dieses Histogramm ist nur ein ausgewähltes Histogramm, um den Messprozess zu verdeutlichen. Die restlichen Histogramme befinden sich im Anhang (Abbildung A.1 und Abbildung A.2). Die Daten in den Histogrammen sind bereits auf die Abweichung durch sich verändernde Temperaturen und Drücke korrigiert. Dabei wurde auf die bereits vorliegende Druck- und Temperatur-Korrektur ([3] Kapitel 4) zurück gegriffen. Es wurde auf die in der Simulation verwendete Temperatur von 25°C und einen Druck von 1013 mbara2 korrigiert. 1 2 siehe Anhang D.2 mbara = absoluter Druck in mbar 20 3.1. MESSERGEBNISSE 21 Abbildung 3.1: 2D-Histogramm für die Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer bei kleinem T2K-Gas-Fluss Im nächsten Schritt wurden die Messpunkte in einem Profil zusammengefasst und alle Messreihen wurden gemeinsam mit den simulierten Werten in ein Diagramm geplottet (Abbildung 3.2). Hier kann man erkennen, dass die gemessenen Punkte mit der neuen Kammer bei einem vergrößerten Fluss (entspricht einem Gasfluss von ca. 3 l/h N2 ) sehr gut mit den Messwerten der alten Kammer übereinstimmen, die Messpunkte mit dem kleineren Fluss (ca. 1,5 l/h) hingegen liegen meist etwas unterhalb der anderen Messwerte. Weiterhin ist zu erkennen, dass im unteren Bereich, bis ca. 200 V/cm alle Messwerte unterhalb der simulierten Kurve liegen, danach kreuzen sich die beiden Kurven und im Bereich ab 260 V/cm liegen die Messwerte oberhalb der simulierten Kurve. Dieses Verhalten ähnelt einem Verdrehen der Kurve um den gemeinsamen Schnittpunkt. Dieses ist für die Kurve mit dem kleineren Fluss stärker, als für die Kurve mit dem größeren Fluss. Es tritt bei der Kurve der alten Kammer, welche ebenfalls mit dem großen Fluss betrieben worden ist, nicht so stark auf. Dieser Effekt ist bereits von Teja Wrobel in seiner Diplomarbeit ([3] Kapitel 5) untersucht worden. Die Abweichung lässt sich auf einen erhöhten Wassergehalt bei geringerem Fluss zurückführen. Da Magboltz3 dies nicht beziehungsweise scheinbar nicht richtig berücksichtigt, kommt es zu der Abweichung zwischen Messung und Simulation. 3 hier verwendetes Simulationsprogramm 22 KAPITEL 3. MESSUNGEN MIT DER GASMONITORKAMMER Abbildung 3.2: Profil der einzelnen Messreihen Der geringere Fluss bedeutet einen höheren Wassergehalt, da die Kammer am Ausgang das Gas in die Umgebung abgibt, sodass auch Wassermoleküle entgegen der Flussrichtung diffundieren können. Des Weiteren könnte der Wassergehalt in der Kammer auch durch ein Ausgasen der noch frischen Kaptonfolie erklärt werden. Diese Effekte werden durch einen höheren Fluss stärker unterdrückt. Eine Korrektur ist nicht möglich, da der genaue Wassergehalt in der Kammer nicht gemessen wurde. Außerdem ist nicht geklärt, ob andere Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Stickstoff nicht auch eine in Magboltz nicht hinreichend berücksichtigte Veränderung der Driftgeschwindigkeit hervorrufen können. Ein Grund dafür könnte sein, dass Magboltz Verunreinigungen erst ab einer Konzentration von 0,0001% berücksichtigt. 3.1. MESSERGEBNISSE 3.1.1.2 23 Gasverstärkung Beim Vergleich der Messwerte der neuen und alten Kammer (Abbildung 3.3 und 3.4) sieht man, dass sie gut übereinstimmen. Die Kurve der neuen Kammer hat bei 320 V am Gitter einen Wert, der um 15% von dem Wert der alten Kammer abweicht. Es ist zu erkennen, dass die Kurve an dieser Stelle nur sehr wenig Messpunkte enthält (vgl. Abbildung A.4). Aus diesem Grund wird dieser Messpunkt aus der weiteren Betrachtung herausgenommen. Ähnlich verhält es sich bei dem Messpunkt für eine Gitterspannung von 350 V bei der alten Kammer, da man hier zum einen nur sehr wenig Statistik hat und zum anderen streuen die Messwerte hier sehr stark, sodass auch dieser Punkt nicht weiter betrachtet wird. In dem Bereich von 325 V bis 345 V wurde mit hinreichend großer Statistik gemessen (vgl. Abbildung A.3 und A.4). Es ist erkennbar, dass die Messpunkte meist sehr wenig streuen. Wenn man nun diesen Bereich betrachtet, erkennt man, dass diese nur noch schwach, weniger als 5%, voneinander abweichen. Abbildung 3.3: Profil Gasverstärkungskurve der alte Kammer mit T2K-Gas 24 KAPITEL 3. MESSUNGEN MIT DER GASMONITORKAMMER Abbildung 3.4: Profil Gasverstärkungskurve der neuen Kammer mit T2K-Gas 3.1.2 3.1.2.1 ILC-Gas4 Driftgeschwindigkeit Die Messung der Driftgeschwindigkeit bei ILC-Gas lieferte die Kurve in Abbildung 3.5. Die Profile der beiden Messungen passen, wie man sieht, sehr gut zueinander. Sie weichen deutlich weniger als 1% voneinander ab. Auch die Abweichung gegenüber des Simulation ist mit maximal 1% sehr gering. Jedoch ist hier zu erkennen, dass alle Werte nicht statistisch um die Simulation herum verteilt sind, sondern dass alle Werte oberhalb der Simulation liegen. Dieses Verhalten sollte aber, genauso wie bei T2K-Gas, auf den Wassergehalt in der Kammer zurück zu führen sein. 4 siehe Anhang D.1 3.1. MESSERGEBNISSE 25 Abbildung 3.5: Profil der einzelnen Messreihen (Histogramme vgl. Abbildung A.5 und A.6) 3.1.2.2 Gasverstärkung Wenn man die beiden Kurven miteinander vergleicht (neue Kammer Abbildung 3.6, alte Kammer Abbildung 3.7), ist ein ähnlicher Verlauf der Kurven zu erkennen. Aber die Werte der alten Kammer sind um einen Faktor drei größer, als die der neuen Kammer. Dieses Verhalten lässt sich dadurch erklären, dass die Kurve der alten Kammer mit dem ADC aufgenommen wurde, wogegen die Kurve der neuen Kammer mit dem QDC gemessen wurde. Der Unterschied kommt daher, dass die QDC Messung nicht richtig kalibriert wurde, da die Absolutwerte dieser Messung um einen konstanten Faktor falsch sind (vgl. section 2.3.2). Weiterhin ist auch die ADC Kurve nicht vollständig kalibriert, da bei ihr die Umrechnung für T2K-Gas übernommen wurde. Die fehlenden Kalibrationen sind auf Schwierigkeiten, diese genau zu messen bzw. zu berechnen, zurückzuführen. Aus diesem Grund können nicht die Absolutwerte der beiden Kurven verglichen werden. Da die Kalibration der Kurve aber nur ein Faktor ist, können durchaus die relativen Änderungen verglichen werden. Bei einem Vergleich 26 KAPITEL 3. MESSUNGEN MIT DER GASMONITORKAMMER der jeweiligen Punkte in der Kurve, welche bei der gleichen Gitter-Spannung gemessen worden sind, resultiert, dass die Kurven gut zu einander passen. Wenn man die Quotienten zwischen den Punkten betrachtet, zeigt sich, dass alle Quotienten zwischen 0,42-0,46 liegen. Bei einer richtigen Kalibration der Kurve sollten die Messwerte in einem Rahmen von 4% zueinander passen. Abbildung 3.6: Profil Gasverstärkungskurve der neuen Kammer mit ILC-Gas 3.2. FAZIT 27 Abbildung 3.7: Profil Gasverstärkungskurve der alten Kammer mit ILC-Gas 3.2 Fazit Insgesamt kann man sehen, dass für beide Gase die neue Kammer und die alte Kammer konsistente Ergebnisse liefern. Diese stehen auch in Übereinstimmung mit den Simulationen, wenn man den Wassergehalt und andere Verunreinigungen berücksichtigt. Daraus lässt sich schließen, dass die neue Kammer richtig funktioniert und beim Zusammenbau keine Fehler unterlaufen sind. Kapitel 4 Die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung 4.1 Entdeckung der Feldabhängigkeit der Gasverstärkung Eine Messung der Gasverstärkung bei ILC-Gas (Abbildung 4.1) zeigt den Effekt, dass sich die Gasverstärkung in Abhängigkeit vom elektrischen Feld ändert. Nach der Entdeckung dieses Verhaltens wurde die gleiche Messung auch mit T2K-Gas durchgeführt (Abbildung 4.2). Dort lässt sich das gleiche Verhalten, wenn auch leicht abgeschwächt beobachten. Bei einer Messung mit P5-Gas1 (Abbildung 4.3) hingegen konnte dieses Phänomen nicht nachgewiesen werden. 4.2 Mögliche Ursachen Die Energie der Photonen, die zur Erzeugung der Primärelektronen genutzt wird, ändert sich durch das elektrische Feld nicht. Außerdem entstehen nicht mehr Elektronen aus einem Photon, da der Energiezugewinn durch das größere elektrische Feld erst dann eine Rolle spielt, wenn dieser im Bereich von mehreren kV/cm liegt. Dann werden durch das Stoßen an anderen Atomen weitere Elektronen erzeugt (vgl. section 2.3.2). Weiterhin stoßen die Elektronen immer mit ihrer maximalen Geschwindigkeit gegen die Gasatome, da ihre Beschleunigungsstrecke klein gegenüber dem mittleren Atomabstand ist. Es gibt zunächst keine direkte Erklärung dafür, warum die Gasverstärkung mit einer Erhöhung des elektrischen Feldes bei einigen Gasen (T2K und ILC) abnimmt und bei anderen wiederum nicht (P5). Aus diesem Grund wurden Untersuchungen unternommen, um mit Hilfe von Simulationen und Messungen eine Erklärung für dieses Verhalten zu finden. 1 siehe Anhang D.3 28 4.2. MÖGLICHE URSACHEN Abbildung 4.1: Gasverstärkung gegen E-Feld Profil ILC Gas (vgl. Abbildung A.9) Abbildung 4.2: Gasverstärkung gegen E-Feld T2K-Gas (vgl. Abbildung A.10) 29 30 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.3: Gasverstärkung gegen E-Feld P5-Gas (vgl. Abbildung A.11) 4.3 Erklärungsmöglichkeit durch Diffusion Es wird vermutet, dass durch die Diffusion die Ladungswolke in dem Driftbereich so verändert wird, dass dies eine Auswirkung auf die Gasverstärkung hat. Aus diesem Grund wurde mit Magboltz die Diffusion in Abhängigkeit des elektrischen Feldes simuliert (vgl. Abbildung 4.4, 4.5, 4.6). In diesen Graphen kann man erkennen, dass die longitudinale Diffusion eine eindeutige Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufweist. 4.3. ERKLÄRUNGSMÖGLICHKEIT DURCH DIFFUSION Abbildung 4.4: Diffusion gegen E-Feld ILC-Gas Abbildung 4.5: Diffusion gegen E-Feld T2K-Gas 31 32 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.6: Diffusion gegen E-Feld P5-Gas Diese wird sogar noch deutlicher wenn man die Werte auf einen festgelegten Punkt normiert (ILC-Gas bei 250 V/cm, T2K-Gas bei 275 V/cm und P5-Gas bei 100 V/cm). In den normierten Graphen kann man für ILC-Gas (Abbildung 4.7) sehen, dass die longitudinale Diffusion und die Gasverstärkung unter einer Veränderung des elektrischen Feldes annähernd das gleiche Verhalten zeigen. Wenn man hingegen die normierten Kurven von T2K-Gas (Abbildung 4.8) oder P5-Gas (Abbildung 4.9) betrachtet, gibt es keinen Hinweis mehr darauf, dass die longitudinale Diffusion der Grund für die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung sein könnte. Um diesen Effekt bei ILC-Gas auszuschließen, wird die Auswirkung der longitudinalen Diffusion auf das Signal untersucht. 4.3. ERKLÄRUNGSMÖGLICHKEIT DURCH DIFFUSION Abbildung 4.7: relative Diffusion gegen E-Feld ILC-Gas (normiert auf 250V /cm) Abbildung 4.8: relative Diffusion gegen E-Feld T2K-Gas (normiert auf 275V /cm) 33 34 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.9: relative Diffusion gegen E-Feld P5-Gas (normiert auf 100V /cm) 4.4 Diffusionszeit Beruhend auf der Vermutung, dass die longitudinale Diffusion der Grund für die Feldabhängigkeit der gemessenen Gasverstärkung ist, wurde weitergehend die Vermutung angestellt, dass auseinander diffundierende Elektronenpakete die Messelektronik vor ein Probleme stellen. Deshalb wurde die Diffusionszeit berechnet. Diese ist ein Ausdruck dafür, welche Zeit im Mittel zwischen dem Eintreffen der ersten Elektronen bis zur Ankunft der letzten Elektronen vergeht. Um ein Gefühl für die Größenordnung dieser Zeiten zu bekommen, wurde mit √ t = Dif f usion · 10cm vdrif t (4.1) die Diffusionszeit berechnet (siehe Abbildung 4.10, 4.11 und 4.12). Dabei sind die 10cm eine abgeschätzte Größenordnung, für die Strecke zwischen der MicroMegas und der Stelle im Gas, an der die Photonen der F e55 −Quelle die Elektronenpakete erzeugen. Bei einer ersten Betrachtung wurde für alle Gase nur der Bereich von 150 V/cm bis 350 V/cm betrachtet. In diesem Bereich kann man sehen, dass die Diffusionszeit von P5-Gas nicht feldabhängig ist, bei ILC-Gas jedoch eine doppelt so starke Feldabhängigkeit im Vergleich zu T2K-Gas vorliegt. Dies wäre genau das erwartete Verhalten, um anhand dessen die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung zu begründen. Die Gasverstärkung bei ILC-Gas ist doppelt so stark feldabhängig wie bei T2K-Gas. P5-Gas ist nicht feldabhängig. 4.4. DIFFUSIONSZEIT 35 Vergrößert man nun den Bereich, ist zu erkennen, dass die Diffusionszeit bei P5 fast doppelt so groß im Vergleich zu ILC-Gas ist. Dies ist ein Indiz dafür, dass die longitudinale Diffusion, zumindest nicht wegen ihrer Diffusionszeit, der Auslöser für die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung ist. Abbildung 4.10: Diffusionszeit gegen E-Feld ILC-Gas 36 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.11: Diffusionszeit gegen E-Feld T2K-Gas Abbildung 4.12: Diffusionszeit gegen E-Feld P5-Gas 4.5. ELEKTRONIK 4.5 37 Elektronik Es wurde untersucht, ob durch die aufgeweiteten Elektronenpakete in der Ausleseelektronik Probleme entstehen können. 4.5.1 Kondensator Hintergrund der Messung ist der nachfolgende Test, ob der Preshape32 unterschiedliche Signale bei veränderter Anstiegszeit liefert. Für diese Messung wurde der Testpuls auf einen Kondensator direkt am Eingang gegeben. Um zu prüfen, ob ein Kondensator die Ladungsmenge durch parasitäre Effekte verändert, wurde zuerst ein externer Kondensator untersucht. Mit Hilfe eines Oszilloskops wurden sowohl der eingehende Puls als auch das Ausgangssignal nach dem Kondensator ausgelesen (Abbildung 4.13). Das Ziel war es, festzustellen, ob sich das Ausgangssignal nach dem Kondensator unerwartet verändert, wenn die Anstiegszeit des Pulses variiert wird. Eine beispielhafte Messung ist in Abbildung 4.14 dargestellt. Abbildung 4.13: Schaltung zur Messung des Kondensator 38 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.14: Testpuls auf den Kondensator Dort sieht man links unten den Spannungspuls, der auf den Kondensator gegeben worden ist. Bei den weiteren Messungen wurden die Anstiegszeiten2 der Pulse variiert. Die beiden horizontalen Linien kennzeichnen die 10%- und 90%-Level. Wenn man nun das Diagramm links oben betrachtet, sieht man, wie das Signal am Kondenstorausgang aussieht. Auf der rechten Seite daneben ist das Integral über dieses Ausgangssignal aufgetragen. Damit sichergestellt ist, dass die Ausleseelektronik das Signal nicht verändert, muss dieser Wert konstant sein. Aus diesem Grund wurde auch bei dem Puls am Ausgang die Anstiegszeit bestimmt. Diese beiden Zeiten wurden gegeneinander aufgetragen (Abbildung 4.15), um sie zu vergleichen. Die Steigung der Ausgleichsgerade ist kleiner als eins. 2 Zeit zwischen 10% und 90% der maximalen Pulshöhe 4.5. ELEKTRONIK 39 Abbildung 4.15: Zeitvergleiche beim Signal auf den Kondensator Als nächstes wurde das Minimum der integrierten Spannung gegen die Anstiegszeit aufgetragen (Abbildung 4.16), um herauszufinden, ob der Kondensator die Ladungsmenge des Pulses verändert. Hier streuen die Datenpunkte nur statistisch um den Mittelwert und weichen maximal 2% von diesem ab. Es ist keine Systematik zu erkennen, die darauf schließen lässt, dass der Kondensator das Signal verändert. 40 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.16: Minimale integrierte Spannung des Kondensators 4.5.2 Preshape32 Eine ähnliche Untersuchung wurde auch mit dem Preshape durchgeführt. Dabei wurden mit dem Pulsgenerator Pulse auf den Preshape32-Eingang gegeben (Abbildung 4.17). Abbildung 4.17: Schaltung zur Messung des Preshape32 Diese sind in Abbildung 4.18 in den beiden unteren Bildern zu sehen, wobei das untere rechte Bild eine rein gezoomte Darstellung des unteren linken Bildes zeigt. Auch an dieser Stelle wurde die Anstiegszeit3 bestimmt. Links oben in der Abbildung sieht man den Ausgang, den der Preshape32 liefert. Dieses Signal wurde integriert und findet sich rechts oben. 3 Zeit zwischen 10% und 90% der maximalen Pulshöhe 41 4.5. ELEKTRONIK Wie man sieht, hat der Preshape32 das Signal verändert, aber an dieser Stelle ist genau dies gewünscht. Es macht hier keinen Sinn, die Anstiegszeiten der Pulse zu vergleichen, da der Preshape das Signal formt und somit die Anstiegszeit verändert. Darum wurde hier direkt die minimale integrierte Spannung gegen die Anstiegszeit aufgetragen. Abbildung 4.18: Testpuls auf den Preshape Die einzelnen Messbereiche wurden jeweils in einem Histogramm (Abbildung 4.19) zusammengefasst (alle Messpunkte vgl. Abbildung A.12). Danach wurde an diese Histogramme eine Gaußverteilung angepasst, um daraus jeweils den Mittelwert und den Fehler auf diesem bestimmt. Diese sind dann in Abbildung 4.20 gegen die Anstiegszeit aufgetragen. In diesem Graphen kann man erkennen, dass die Mittelwerte nur um weniger als 1% um einen gemeinsamen Mittelwert schwanken und keine Abhängigkeit zwischen dem Minimum der integrierten Spannung und der Anstiegszeit der Eingangspulse besteht. 42 KAPITEL 4. DIE FELDABHÄNGIGKEIT DER GASVERSTÄRKUNG Abbildung 4.19: Beispielhaftes Histogramm (vgl. Abbildung A.13) Es kann also ausgeschlossen werden, dass der Preshape32 das Signal, welches der verstärkten Ladungsmenge entspricht, verändert, wenn die Ladung am Eingang in einer unterschiedlichen Zeit eintrifft. Abbildung 4.20: Mittelwerte beim Preshape 4.6. FAZIT 4.6 43 Fazit Zusammengefasst kann man sagen, dass die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung nicht auf einen Fehler in der Messelektronik zurückzuführen ist, da der Preshape32 innerhalb der Ausleseelektronik seine Aufgabe erfüllt und auch keine Probleme dadurch entstehen, dass die Diffusionszeit die Breite des Signals verändert. Aufgrund der durchgeführten Simulationen ist ein Zusammenhang zwischen der Feldabhängigkeit der gemessenen Gasverstärkung und der longitudinalen Diffusion generell sehr unwahrscheinlich, da P5-Gas (Abbildung 4.6) die stärkste Veränderung in der longitudinalen Diffusion hat, aber bei P5-Gas keine Feldabhängigkeit der Gasverstärkung gemessen worden ist. Genauso sieht man an der Simulation für T2K-Gas, dass die normierten Werte (Abbildung 4.8) der Diffusion nicht auf den Zusammenhang mit der gemessenen Feldabhängigkeit der Gasverstärkung schließen lassen. Einzig die zu Beginn vorliegende Kurve für ILC-Gas (Abbildung 4.7) liefert auch mit den Simulationen ein konsistentes Ergebnis. Dieses lässt vermuten, dass die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung nicht auf die longitudinale Diffusion beziehungsweise den Elektronentransport zurückzuführen ist. Kapitel 5 Zusammenfassung Zum Abschluss der Arbeit bleibt zu sagen, dass die neu gebaute Gasmonitorkammer voll funktionsfähig ist und ihre Ergebnisse mit den Ergebnissen der alten Kammer gut zusammenpassen. Außerdem sind diese Werte auch im Rahmen der Simulationen vertretbar, wenn man den Wassergehalt in der Kammer berücksichtigt. Daraus kann man folgern, dass der Zusammenbau der Kammer erfolgreich war und richtig ausgeführt worden ist. Um dies noch weiter zu verifizieren, sollte die Kurve zur Gasverstärkung für die alte Kammer bei ILC-Gas noch einmal mit dem QDC vermessen werden, um diese noch besser mit der Kurve, die für die neue Kammer gemessen worden ist, vergleichen zu können. Die Feldabhängigkeit der Gasverstärkung wurde genau vermessen. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit noch keine vollständige Begründung für dieses Phänomen gefunden werden. Trotzdem kann mit großer Wahrscheinlichkeit die longitudinale Diffusion als Ursache für ebendiese Feldabhängigkeit der gemessenen Gasverstärkung ausgeschlossen werden. 44 Literaturverzeichnis [1] Denis Terhorst. Entwicklung einer Monitorkammer zur Überwachung des Driftkammergases der T2K-TPC Diplomarbeit III. Physikalisches Institut B. RWTH Aachen 2008 [2] Jochen Steinmann. Inbetriebnahme der Monitorkammern für die TPC des T2KExperiment Diplomarbeit III. Physikalisches Institut B. RWTH Aachen 2010 [3] Teja Wrobel. Systematische Messungen der Driftgeschwindigkeit und der Gasverstärkung mithilfe einer Gasmonitorkammer für das T2K-Experiment Diplomarbeit III. Physikalisches Institut B. RWTH Aachen 2011 [4] paricle data group. Partcle physikcs booklet. IOP, 2010 [5] Bild des T2K Experiments (25.08.2011) http://www.imperial.ac.uk/research/hep/figures/T2KOverview1.png [6] Versuchsanleitung, Versuch T7 Gasdetektoren und Statistik, des Physik Bachelorpraktikums an der RWTH Aachen (26.08.2011) http://www.physik.rwth-aachen.de/fileadmin/user_upload/www_physik/ Institute/Inst_3A/BachelorPraktikum/Versuchsanleitungen/v07.pdf [7] Versuchsanleitung, Versuch LPT4, Driftkammer, des Physik Masterpraktikums an der RWTH Aachen (26.08.2011) http://www.physik.rwth-aachen.de/fileadmin/user_upload/www_physik/ Institute/Inst_3B/Lehre/Praktikum/Versuchsanleitungen/v04_20100726.pdf [8] Nuclear Data Evaluation Lab. Table of nuclides (25.08.2011) http://atom.kaeri.re.kr/, . 45 Abbildungsverzeichnis 1.1 1.2 1.3 Übersicht über das T2K Experiment. Oben auf dem Satelliten-Bild ist der Ort des Super-Kamiokande Detektors zu sehen, darunter in der Zeichnung kann man die Flugkurve des Neutrinostrahls nachvollziehen und darunter sieht man in einem Satelliten-Bild den Ort des J-PARC’s in Tokai [5] . . . . . . . . . . . . Übersicht über den ND280 Detektor [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operationsmoden von Gasdetektoren ([6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Schematischer Aufbau der Gasmonitorkammer [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . Ansicht Gasmonitorkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kathodenseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anodenseite der Kammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsicht von der Kathodenseite in den Driftraum mit Blick auf die Micromegas MicroMegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Histogramm zur Bestimmung der Driftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . Histogramm zur Bestimmung der Gasverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 12 13 14 15 16 18 19 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 2D-Histogramm für die Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer bei kleinem T2K-Gas-Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Profil der einzelnen Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Profil Gasverstärkungskurve der alte Kammer mit T2K-Gas . . . . . . . . . . Profil Gasverstärkungskurve der neuen Kammer mit T2K-Gas . . . . . . . . . Profil der einzelnen Messreihen (Histogramme vgl. Abbildung A.5 und A.6) . Profil Gasverstärkungskurve der neuen Kammer mit ILC-Gas . . . . . . . . . Profil Gasverstärkungskurve der alten Kammer mit ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 22 23 24 25 26 27 4.1 4.2 4.3 4.4 Gasverstärkung gegen E-Feld Profil ILC Gas (vgl. Abbildung A.9) Gasverstärkung gegen E-Feld T2K-Gas (vgl. Abbildung A.10) . . . Gasverstärkung gegen E-Feld P5-Gas (vgl. Abbildung A.11) . . . . Diffusion gegen E-Feld ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 29 30 31 46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 Diffusion gegen E-Feld T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion gegen E-Feld P5-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . relative Diffusion gegen E-Feld ILC-Gas (normiert auf 250V /cm) relative Diffusion gegen E-Feld T2K-Gas (normiert auf 275V /cm) relative Diffusion gegen E-Feld P5-Gas (normiert auf 100V /cm) . Diffusionszeit gegen E-Feld ILC-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusionszeit gegen E-Feld T2K-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusionszeit gegen E-Feld P5-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltung zur Messung des Kondensator . . . . . . . . . . . . . . Testpuls auf den Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitvergleiche beim Signal auf den Kondensator . . . . . . . . . . Minimale integrierte Spannung des Kondensators . . . . . . . . . Schaltung zur Messung des Preshape32 . . . . . . . . . . . . . . . Testpuls auf den Preshape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispielhaftes Histogramm (vgl. Abbildung A.13) . . . . . . . . . Mittelwerte beim Preshape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1 Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer mit kleinem T2K-Gas-Fluss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der alten Kammer mit großem T2K-Gas-Fluss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3 Messpunkte der Gasverstärkungskurve, die mit der neuen Kammer bei T2K-Gas gemessen worden sind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.4 Messpunkte der Gasverstärkungskurve, die mit der alten Kammer bei T2K-Gas gemessen worden sind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.5 Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer bei ILCGas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.6 Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der alten Kammer bei ILCGas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.7 Messpunkte der Gasverstärkungskurve mit ILC-Gas in der neuen Kammer . . . A.8 Messpunkte der Gasverstärkungskurve mit ILC-Gas in der alten Kammer . . . A.9 Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei ILC-Gas . A.10 Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei T2K-Gas . A.11 Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei P5-Gas . . A.12 Messpunkte der Messung mit dem Preshape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.13 Histogramme zur Bildung des Mittelwertes min. int. Spannung Preshape . . . . 31 32 33 33 34 35 36 36 37 38 39 40 40 41 42 42 50 51 51 52 52 53 53 54 54 55 55 56 57 B.1 Ansicht unfertige Kammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 B.2 SiPM Seiten Ansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 B.3 Feldstreifen-Seitenansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 48 ABBILDUNGSVERZEICHNIS B.4 Offene Kammer aus Sicht der Kathodenseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 B.5 Kathodenflansch Ansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 B.6 Kathodenflansch Seitenansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Anhang 49 Anhang A Weitere Plots Abbildung A.1: Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer mit kleinem T2K-Gas-Fluss. 50 51 Abbildung A.2: Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der alten Kammer mit großem T2K-Gas-Fluss. Abbildung A.3: Messpunkte der Gasverstärkungskurve, die mit der neuen Kammer bei T2KGas gemessen worden sind. 52 ANHANG A. WEITERE PLOTS Abbildung A.4: Messpunkte der Gasverstärkungskurve, die mit der alten Kammer bei T2KGas gemessen worden sind. Abbildung A.5: Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der neuen Kammer bei ILC-Gas. 53 Abbildung A.6: Histogramm der Driftgeschwindigkeitsmessung mit der alten Kammer bei ILC-Gas. Abbildung A.7: Messpunkte der Gasverstärkungskurve mit ILC-Gas in der neuen Kammer 54 ANHANG A. WEITERE PLOTS Abbildung A.8: Messpunkte der Gasverstärkungskurve mit ILC-Gas in der alten Kammer Abbildung A.9: Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei ILC-Gas 55 Abbildung A.10: Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei T2K-Gas Abbildung A.11: Einzelne Messpunkte der Gasverstärkung gegen E-Feld Messung bei P5-Gas 56 ANHANG A. WEITERE PLOTS Abbildung A.12: Messpunkte der Messung mit dem Preshape 57 Abbildung A.13: Histogramme zur Bildung des Mittelwertes min. int. Spannung Preshape Anhang B Bilder der Kammer Abbildung B.1: Ansicht unfertige Kammer 58 59 Abbildung B.2: SiPM Seiten Ansicht Abbildung B.3: Feldstreifen-Seitenansicht 60 ANHANG B. BILDER DER KAMMER Abbildung B.4: Offene Kammer aus Sicht der Kathodenseite Abbildung B.5: Kathodenflansch Ansicht 61 Abbildung B.6: Kathodenflansch Seitenansicht Anhang C Benutzte Quellen C.1 Sr90 Sr90 zerfällt in einem β − Zerfall zu Y 90 , dabei haben die entstehenden Elektronen eine Energie von 545, 998 ± 1, 409 keV [8]. Das daraus entstandene Y 90 zerfällt dabei in einem weiteren β − Zerfall zu Zr90 . Die dabei entstehenden Elektronen haben eine Energie von 2280, 077 ± 1, 616 keV [8]. C.2 F e55 ? ? F e55 wird nach einem Elektroneneinfang zu M n55 [4] umgewandelt. Der angeregte M n55 Kern regt sich danach zu M n55 + γ ab. Dieses Photon hat eine Energie von 590 keV in 25,4% und 649 keV in 2,86% aller Zerfälle. Da die anderen Zerfälle uninteressant für die Gasmonitorkammer sind, kann man sagen, dass 89,87% alle Photonen in der Kammer eine Energie von 590 keV und 10,13% eine Energie von 649 keV haben. 62 Anhang D Benutzte Gase D.1 ILC-Gas Gas Argon Methan Kohlenstoffdioxid Anteil 93% 5% 2% relativer Fehler auf den Anteil ±10% ±10% ±10% Tabelle D.1: Zusammensetzung ILC-Gas D.2 T2K-Gas Gas Argon Tetrafluormethan Isobutan Anteil 95% 3% 2% relativer Fehler auf den Anteil ±10% ±10% ±10% Tabelle D.2: Zusammensetzung T2K-Gas 63 64 D.3 ANHANG D. BENUTZTE GASE P5-Gas Gas Argon Methan Anteil 95% 5% relativer Fehler auf den Anteil ±10% ±10% Tabelle D.3: Zusammensetzung P5-Gas Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne Benutzung anderer, als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Aachen, 31. August 2011 ______________________ David Rittich 65
