Entwicklung einer Monitorkammer zur
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Entwicklung einer Monitorkammer zur Überwachung
des Driftkammergases der T2K-TPC
von
Dennis Terhorst
Diplomarbeit in P H Y S I K
vorgelegt der
Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der RWTH Aachen
im November 2008
angefertigt im
III. Physikalischen Institut
Priv.-Doz. Dr. Stefan Roth
Zweitgutachter: Prof. Dr. Achim Stahl
Zusammenfassung
Im Verlauf dieser Diplomarbeit wurde eine Driftkammer geplant und gebaut, welche zur Überwachung von Gaseigenschaften im T2K-Experiment eingesetzt werden soll. Für den Betrieb der TPCs
(Time Projection Chamber) im ND280, einem Teildetektor des Experiments, ist die Überwachung von
Gasverstärkung und Driftgeschwindigkeit, von besonderem Interesse. Die TPC wird im Experiment mit
Micromegas ausgelesen, daher ist die hier beschriebene Monitorkammer für eine Vergleichbarkeit der
Messwerte ebenfall für den Betrieb eines Micromegas entwickelt und gebaut worden.
In der Einleitung dieser Arbeit wird, nach einem kurzen Überblick über die theoretischen Hintergründe der Neutrinooszillation, das T2K-Experiment mit einigen Eckdaten geschildert. Ein weiterer
Abschnitt behandelt die gundlegenden Prinzipien von Driftkammern und stellt einige Bauformen vor.
Das Kapitel Laborumgebung“ beschreibt die Geräte und Voraussetzungen mit denen in den dar”
auf folgenden Kapiteln gearbeitet wird. Eine Beschreibung der Software zeigt die Abbildung dieser
Umgebung in der digitalen Datenverarbeitung.
Nach einem Kapitel mit notwendigen Voruntersuchungen wird im Hauptteil dieser Arbeit die Entwicklung und Konstruktion der Gas-Monitorkammer beschrieben. Die Entwicklung der Monitorkammer umfasst, neben verschiedenen Simulationen und Prototypen, auch der Aufbau der Ausleseelektronik
und die Anbindung dieser an eine Software, die den Betrieb der Kammer weitgehend automatisiert.
Zum Ende dieser Arbeit werden Messungen der Driftgeschwindigkeit und der relativen Gasverstärkung
mit der entwickelten Kammer und den verfügbaren Micromegas vorgestellt, welche die aus anderen Detektorarichtekturen bekannten Zusammenhänge bestätigen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ziel dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . .
1.2 Das Standardmodell der Teilchenphysik .
1.2.1 Parameter . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Neutrinooszillation . . . . . . . .
1.3 Das T2K-Experiment . . . . . . . . . . .
1.3.1 J . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Super-Kamiokande . . . . . . . .
1.3.3 ND280 . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Driftkammern . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Physikalisches Prinzip . . . . . .
1.4.2 Bauformen . . . . . . . . . . . .
1.4.3 TPC – Time Projection Chamber .
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2 Laborumgebung
2.1 Gassystem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Gasmischsystem . . . . . . . . . .
2.1.2 Gaschromatograph . . . . . . . . .
2.1.3 Einheiten . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Szintillatoren . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Photomultiplier . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Konventionelle Photomultiplier . .
2.3.2 Silizium-Photomultiplier . . . . . .
2.4 Der VME-Bus . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 VME Module . . . . . . . . . . . .
2.5 Flash Analog to Digital Converter (FADC) .
2.6 Hochspannungsversorgung (HV) . . . . . .
2.6.1 CAEN SY127 . . . . . . . . . . .
2.6.2 iSeg VHS4060n . . . . . . . . . .
2.7 MVME3100 – Single Board Computer . . .
2.8 Wiener VM-USB – USB zu VME Interface
2.9 CAEN v965 – Charge Sensing ADC . . . .
2.10 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11.1 Gerätebibliothek libVME++ . . . .
2.11.2 Netzwerkbibliothek libsubsystem
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3 Voruntersuchungen
3.1 1-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . .
3.2 5-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Beobachtungen und Erkenntnisse . .
3.2.2 Messungen . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Gas- und Umgebungsdruck, Absolutmessung
3.3.1 Abweichung von offiziellen Werten .
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RWTH Aachen
INHALTSVERZEICHNIS
3.3.2
3.3.3
Temperatureffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
45
4 Entwicklung einer Gas-Monitorkammer
4.1 Design der Driftkammer – Ziele . . . . . . . . . . . . .
4.2 Klebetest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Erfahrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Übersicht der Konstruktionsschritte . . . . . . .
4.3 Design des Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Angestrebtes Design . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Bau des Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Kapton Feldstreifenfolie . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Feldstreifendesign . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4 GFK Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.5 Ecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.6 Flansche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.7 Fertige Kammer . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.8 Triggersystem der Driftgeschwindigkeitsmessung
4.5 Aufbau mit einem Test-Detektor . . . . . . . . . . . . .
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5 Messungen und Ausblick
5.1 Gain-Messung mit einer GEM-Testkammer . . . . . .
5.1.1 5-Pad-Micromegas in GEM Kammer . . . . .
5.1.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 55 Fe-Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 Gain-Änderung bei Variation des Drucks . . .
5.1.5 Gain-Änderung bei Variation der Gasmischung
5.2 Messung der Driftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . .
5.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Weitere Entwicklung, Zusammenfassung und Ausblick
5.3.1 Kammerbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Messungen der Gasverstärkung . . . . . . . .
5.3.3 Messung der Driftgeschwindigkeit . . . . . . .
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A Materialeigenschaften
A.1 Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.1 Argon . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.2 Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.3 Tetrafluormethan . . . . . . . . . . . . .
A.1.4 Isobutan . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Kammerbestandteile . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.1 Polyimid (Kapton) . . . . . . . . . . . .
A.2.2 Polyethylene Terephthalate (Mylar) . . .
A.2.3 Polytetrafluoroethylene (Teflon) . . . . .
A.2.4 Polyoxymethylene (POM) . . . . . . . .
A.2.5 Polyvenylchlorid (PVC) . . . . . . . . .
A.2.6 Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.7 Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.8 Plastik Szintillator (Vinyltoluene-basiert)
A.3 Radioaktive Quellen . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.1 Eisen-55 . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.2 Strontium-90 . . . . . . . . . . . . . . .
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.
.
84
85
85
86
87
88
89
89
90
91
92
93
94
95
96
97
97
98
Dennis Terhorst
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3
INHALTSVERZEICHNIS
A.4 Kammereigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
B Simulation mit Magboltz
B.1 Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
100
100
C Verzeichnisse
C.1 Abkürzungs- und Akronymverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2 Firmen- und Eigennamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
103
104
Literaturverzeichnis
104
4
RWTH Aachen
Abbildungsverzeichnis
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
Nachweiswahrscheinlichkeit der Flavour-Eigenzustände eines Myon-Neutrionos . . . .
10
Das T2K-Experiment verläuft quer durch Japan von Tokai nach Kamioka . . . . . . .
10
Übersicht über den J Beschleunigerkomplex in Tokai, Japan [1] . . . . . . . . . .
12
Bilder des Super-Kamiokande Detektors [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
Nachweisreaktion von Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Beispiele zweier Ereignisse im Super-Kamiokande Detektor [6] . . . . . . . . . . . .
13
Aufbau des ND280 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Anteile des Energieverlustes von Elektronen in Materie. . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Wirkungsquerschnite von Photonen in Materie in Abhängigkeit von der Energie . . . .
17
Prinzipieller Aufbau verschiedener Konstruktionen zur Gasverstärkung in Driftkammern 19
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer TPC . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.1
2.2
Schematischer Aufbau des Gasmischsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Digitale Flussregler zum Mischen der Gase (links), Gaschromatograph zur Verifikation
der Gasmischung (rechts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Gaschromatograph der Firma Schambeck SFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Szintillierende Faser für das Triggersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Skizze eines Photomultipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 VME Crate mit (v. l.) MVME3100 mit Festplatte, iSeg VHS4060n HV und zwei RWTH
VFADC50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 CAEN SY127, Hochspannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 MVME3100. PowerPC basiertes Prozessor-Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 VME Crate mit (v. l.) Wiener VM-USB, CAEN v965 QDC, CAEN v775N TDC (und
vier RWTH VFADC50, schattiert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Datennahmesystem im Labor. Eingezeichnet sind nur die relevanten Datenverbindungen, nicht eingezeichnet sind u. A. CAMAC und NIM Crates . . . . . . . . . . . . . .
3.3
3.1
3.2
3.5
3.4
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
22
23
24
24
26
27
28
28
29
31
3.14
Aufsicht auf das 5-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufsicht auf das 1-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nahaufnahmen des 1-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Knickkanten im Mesh des 5-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Randbereich der Kupferauflage des 5-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . .
Knickkanten im Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Knicktiefe im Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tiefenscan des Knicks im Mesh des 5-Pad-Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verunreinigungen des 5-Pad-Micromegas-PCBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mit verschiedenen Pads des 5-Pad-Micromegas gemessene Signale bei Bestrahlung mit
einer 55 Fe-Quelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umgebungsdruck gemessen über eine Woche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Karte mit Höhenangaben vom Landesvermessungsamt . . . . . . . . . . . . . . . . .
Luftdruck an der Wetterstation RWTH Hörn im Vergleich mit den el-Press Sensoren im
Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druck und Temperaturdaten der el-Press Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
47
4.1
Prinzipieller Aufbau der Monitorkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.11
3.12
3.13
Dennis Terhorst
36
37
37
38
38
39
40
41
42
42
43
45
5
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.2
4.3
4.4
4.6
4.5
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.14
4.13
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
5.1
5.2
Kleber mit sehr geringer Ausgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einzelne Schritte des Klebeprinzips der Monitorkammer bei einem vorab durchgeführten Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a) Kapton endet am GFK, b) Kapton überlappt den Flansch . . . . . . . . . . . . . . .
Beispiele verschiedener Konfigurationen der Sensorfläche des Micromegas . . . . . .
Via-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übersicht des Designs für das finale Micromegas (Kupferauflage) . . . . . . . . . . .
Übersicht des Designs für das finale Micromegas (Resin-Layer . . . . . . . . . . . . .
G4-Simulation der Vielfachstreuung der 90 Sr-Elektronen . . . . . . . . . . . . . .
Kapton Feldstreifenfolie, Innenseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GFK-Struktur auf der Kapton-Feldstreifenfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Details zur Ausrichtung und Schaltung der Kaptonfolie . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kleben der Feldstreifenfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailaufnahme der Schlitze. Oben: Außenseite, unten Innenseite der Kammer . . . . .
Kern und Ecken der Testkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zeichung der Flansche an der Kathoden- und Anodenseite des Feldkäfigs . . . . . . .
Entwurf der Anodenseite der Kammer mit den vorläufigen Maßen und Skizze des Micromegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schritte des Zusammenbaus des Kathodenflansches . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zeichnung der Kathodenseite der Kammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nachträgliche Klebung der Flansche an die GFK-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . .
Fertige Driftkammer mit Test-Flansch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailaufnahmen eines Silizium Photomultipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halterung für die 90 Sr-Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau eines Test-Detektors für provisorische Messungen der Driftzeit . . . . . . . . .
5-Pad-Micromegas mit Rahmen der GEM Kammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau mit der GEM-Testkammer in der Aluminium-Abschirmung, die 55 Fe-Quelle
liegt über dem kleinsten Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Schematischer Aufbau der Gain-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Aufbau des Gassystems zur Messung der Druckabhängigkeit des Gains . . . . . . . .
5.4 Spektrum von 55 Fe in ArCF4 iC4 H10 mit Pedestal-Messung, Umesh = 420 V, Ukath = 600 V
5.6 Relative Änderung des Gains mit dem Druck des Gases . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7 Beobachtungen bei Gain-Messungen mit dem Mischen über Zeit“-Verfahren . . . . .
”
5.8 Schematischer Aufbau der Driftzeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9 Photos vom Aufbau für die Driftzeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10 Software-Struktur zur Aufnahme der Messwerte der Driftgeschwindigkeitsmessung (automatisch generierte Grafik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.11 Histogramme der Peak-Schwerpunkte der Driftzeitmessung . . . . . . . . . . . . . . .
5.12 Ermittelte Driftgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Driftfeldstärke . . . . . . . . . .
6
50
51
52
54
54
56
57
58
58
59
59
60
60
61
63
64
64
66
67
67
68
68
69
70
71
72
73
74
75
77
77
78
79
81
82
RWTH Aachen
Tabellenverzeichnis
1.1
1.2
Zusammenfassung der Haupteigenschaften des J Proton Syncrotrons. [1] . . . . .
Eigenschaften des T2K-Driftgases (Simulation mit Magboltz) . . . . . . . . . . . . .
11
18
2.1
2.2
2.3
Tabelle der maximalen Flüsse der Flussregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezifikationen des Szintillatormatierals [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterisierung der Silizium-Photomultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
25
26
Dennis Terhorst
7
Kapitel 1
Einleitung
1.1 Ziel dieser Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Gas-Monitor-Kammer in Form einer Driftkammer. Die
Arbeit wurde im Rahmen des T2K-Experiments durchgeführt, um für den ND280 Referenzmessungen zu erstellen. In diesem Detektor kommen drei TPCs (time projection chambers) zum Einsatz. Für
diese soll die Änderungen der Driftgeschwindigkeit und Gasverstärkung des Driftgases bestimmt und
mit simulierten Daten verglichen werden. Eine zu starke Variation in der Gasversorgung soll mit der
Monitor-Kammer schnell erkannt werden. Weiterhin sollen die gewonnenen Daten zur Kalibration der
TPCs benutzt werden.
1.2 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Im Standardmodell der Teilchenphysik existieren sechs Quarks, sechs Leptonen und deren Antiteilchen, welche auf Grund ihres halbzahligen Spins als Fermionen bezeichnet werden. Die Überträger der
Wechselwirkungen sind die vier Eichbosonen mit ganzzahligem Spin. Das Higgsboson wird im Rahmen
des Higgs-Mechanismus, der die spontane Symmetriebrechung und unter anderem die Masse der drei
schweren Eichbosonen erklärt, vom Standardmodell vorhergesagt.
!
!
!
u
c
t
Quark-Familien
(1.1)
d
s
b
!
!
!
τ
µ
e
Lepton-Familien
(1.2)
ντ
νµ
νe
γ
g
W±
Z0
H
Eich-Bosonen
Higgsboson
(1.3)
(1.4)
1.2.1 Parameter
Neben den Massen der Teilchen, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt werden, sind auch die Mischungswinkel und Phasen der Mischungsmatrizen im Quark-Sektor (CMK-Matrix, Cabibbo-KobayashiMaskawa-Matrix) und im Lepton-Sektor freie Parameter. Im Folgenden wird die Mischungsmatrix der
Neutrino-Eigenzustände und deren zu bestimmende Parameter beschrieben.
Neutrinos werden über die schwache Wechselwirkung mittels eines geladenen W-Bosons erzeugt:
Zum Beispiel W + → ℓ+ νℓ mit ℓ ∈ {e, µ, τ}. Neutrinos liegen zur Zeit ihrer Erzeugung in ihrem FlavourEigenzustand νe , νµ oder ντ vor. Diese sind zusammengesetzt aus den verschiedenen Anteilen dreier
Massen-Eigenzustände (ν1 , ν2 , ν3 ), wobei die Mischung mit einer unitären Matrix U beschrieben werden
kann.
νe
Ue1 Ue2 Ue3 ν1
νµ = Uµ1 Uµ2 Uµ3 · ν2
(1.5)
ντ
Uτ1 Uτ2 Uτ3
ν3
|
{z
}
U
8
RWTH Aachen
1.3. DAS T2K-EXPERIMENT
|να i
X
=
i
∗
Uαi
|νi i
(1.6)
Diese Matrix lässt sich, analog zur CKM-Matrix, durch drei Mischungswinkel θ12 , θ23 , θ13 und drei CPverletzende Phasen α1 , α2 und δ parametrisieren:
c12 c13
s12 c13
s13 e−iδ
s23 c13 · diag eiα1 /2 , eiα2 /2 , 1
U = −s12 c23 − c12 s23 s13 eiδ c12 c23 − s12 s23 s13 eiδ
(1.7)
s12 s23 − c12 c23 s13 eiδ −c12 s23 − s12 c23 s13 eiδ c23 c13
mit
si j = sin θi j
und ci j = cos θi j
(1.8)
Die Diagonalmatrix mit den Phasen α1 und α2 berücksichtigt dabei die Möglichkeit, dass Neutrinos
Majorana Teilchen1 sein können.
1.2.2 Neutrinooszillation
Betrachtet man ein Neutrino να , welches als Flavour-Eigenzustand entsteht und gemäß Gleichung (1.6)
in die Masseneignezustände überführt werden kann, und propagiert die beteiligten Masseneigenzustände
i mit Hilfe der Schödinger-Gleichung, so ergibt sich nach Laborzeit t und Flugstrecke L
e−imi τi = e−i(Ei t−pi L) .
(1.9)
Mit der extrem-relativistischen Näherung 2 t ≈ L wird
2
e−i(Ei t−pi L) ≈ e−i(mi /2p)L
und damit folgt
⇒
|να (L)i ≈
X
i
(1.10)
2
∗ −i(mi /2p)L
Uαi
e
|νi i .
(1.11)
Dabei ist p das Mittel der Impulse und |νi i , i ∈ {1, 2, 3} sind die drei Massen-Eigenzustände mit Massen mi . Da die Matrix U unitär ist, kann Gleichung 1.6 invertiert und eingesetzt werden, mit E ≈ p führt
dies zu der gemischten Zusammensetzung des propagierten Neutrinos:
X X
E
∗ −i(m2i /2E)L
|να (L)i =
Uβi νβ .
(1.12)
Uαi e
β
i
Die Wahrscheinlichkeit ein Neutrino να der Energie E nach einer Strecke L als oszilliertes Neutrino
νβ nachzuweisen ist
D
E2
P(να → νβ ) = νβ |να (L) .
(1.13)
Dies führt zu komplexen Rechnungen für Drei-Neutrino-Mischungen. Um jedoch einen Eindruck
der Effekte zu erhalten betrachtet man zunächst eine Zwei-Neutrino-Mischung mit
!
cos θ sin θ
U=
,
(1.14)
− sin θ cos θ
welches über die oben skizzierten Rechnungen zur Wahrscheinlichkeit führt, ein Neutrino να nach einer
Strecke L als oszilliertes Neutrino νβ zu nachzuweisen
L P(να → νβ ) = sin2 2θ sin2 ∆m2
4E
(α , β).
(1.15)
Beispielhaft sind in Abbildung 1.1 die Wahrscheinlichkeiten dargestellt, nach 295 km Flugstrecke ein
Myon-Neutrino der Energie E als Elektron- oder Myon-Neutrino nachzuweisen. Angenommen wurde
ein hypothetisches ∆m2 von 2,4 · 10−3 eV2 und sin2 2θ von 0,95. Wie der Gleichung (1.15) zu entnehmen ist, kann aus der Amplitude der Oszillation der Mischungswinkel und aus der Frequenz das ∆m2
bestimmt werden.
Dennis Terhorst
9
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Neutrino-Oszillation
Nachweiswahrscheinlichkeit P
1
0.8
0.6
0.4
0.2
P(νµ -> νe)
P(νµ -> νµ)
0
0
500
1000
Energie Eν [MeV]
1500
2000
Abbildung 1.1: Nachweiswahrscheinlichkeit der Flavour-Eigenzustände eines Myon-Neutrionos nach
einer Strecke L = 295 km in Abhängigkeit von der Neutrino-Energie Eν . Graph erzeugt mit Gleichung (1.15), mit ∆m2 = 2,4 · 10−3 eV2 und sin2 2θ = 0,95.
Abbildung 1.2: Das T2K-Experiment verläuft quer durch Japan von Tokai nach Kamioka. Auf der rund
300 km langen Strecke oszillieren Myon-Neutrinos zu Elektron-Neutrinos.
10
RWTH Aachen
1.3. DAS T2K-EXPERIMENT
Tabelle 1.1: Zusammenfassung der Haupteigenschaften des J Proton Syncrotrons. [1]
Proton Synchrotron
Umfang
Mittlerer Radius
Injektionsenergie
Extraktionsenergie
Teilchen pro Puls
Umlaufzeit
bei Injektion
bei Extraktion
Wiederholrate
Anstiegsmuster
Injektion
Beschleunigung
parabolisch
linear
parabolisch
1567,5 m
249,475 m
3 GeV
50 GeV
3,3 × 1014
5,384 µs
5,230 µs
0,3 Hz
parabolisch+linear+parabolisch
0,1 s
1,9 s
0,13 s
1,7 s
0,13 s
1.3 Das T2K-Experiment
Das T2K-Experiment verläuft quer durch Japan von Tokai nach Kamioka. Es werden νµ −νe -Oszillationen
eines Myon-Neutrino Strahls untersucht, der vom J Beschleuniger Komplex zu dem 295 km entfernten Super-Kamiokande-Detektor verläuft. Neben der präzisen Messung der Parameter θ23 und ∆m23 (aus
νe -disappearance) wird speziell auch wird der unbekannte Mischungswinkel θ13 bei Beobachtung der
sub-dominanten νµ → νe Oszillation untersucht (νe -appearance). Die Detektoren stehen dabei unter
einem Winkel von 2,5 ◦ vom Neutrino-Produktionstarget relativ zur Richtung der Strahlachse (engl. offaxis). Dies verringert zwar die Ereignisraten erheblich, liefert aber ein besseres Signal, da im Verhältnis
zum mittleren Strahl die Energieschärfe des Neutrino-Strahls besser ist. Das Energiespektrum, die Flavourzusammensetzung und die Interaktionsraten des unoszillierten Neutrino-Strahls werden von mehreren Detektoren 280 m hinter dem Neutrinoproduktionstarget bestimmt und dazu benutzt, die NeutrinoEreignisse im Super-Kamiokande-Detektor vorherzusagen. Der primäre Detektor am 280 m Standort ist
ein magnetisierter off-axis tracking Detektor, ND280 genannt. Die Elemente dieses Detektors werden im
Inneren des Magneten des UA1-Experiments installiert, Abbildung 1.7 zeigt eine Zeichnung des Aufbaus. Eine kritische Rolle bei der Teilchenidentifikation und Bestimmung des Impulses und der Ladung
der Teilchen übernehmen drei TPC-Kammern im ND280.
Der Beschleuniger am J und Super-Kamiokande werden in den folgenden Abschnitten kurz
vorgestellt, detailliertere Informationen lassen sich in den angegebenen Quellen finden. Der zentrale
Detektor des ND280, die TPC, wird im nächsten Kapitel beschrieben.
1.3.1 J
Am J (Japan Proton Accelerator Research Complex) wird ein 50 GeV Protonenstrahl (0,75 MW)
auf ein stabförmiges (∅3 cm×90 cm) Graphit-Target geschossen [1]. Eine Übersicht über den Beschleunigerkomplex ist in Abbildung 1.3 gegeben. Die erzeugten Pionen zerfallen nach kurzer Strecke in
Myonen und deren Neutrinos (π → µ ν, BR : 99,98%, c τπ± = 7,8045 m, [15]). Zur Fokussierung des
Neutrinostrahls werden die Pionen auf ihrer Zerfallsstrecke durch mehrere magnetische Hörner auf parallele Bahnen gelenkt. Um den erzeugten Neutrinostrahl zu überwachen ist am Ende der Zerfallsstrecke
ein Myon-Monitor aufgestellt und in einer Entfernung von 280 m der bereits erwähnte ND280. In Tabelle 1.1 sind die wichtigsten Parameter des Hauptbeschleunigers (Main Ring, Proton Synchrotron) kurz
zusammengefasst.
1 Ihre
2 hier
eigenen Antiteilchen (wie z. B. Photonen), im Gegensatz zu Dirac-Teilchen (wie z. B. e± )
wird wie in der Elementarteilchenphysik allgemein üblich c = 1 gesetzt.
Dennis Terhorst
11
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Abbildung 1.3: Übersicht über den J Beschleunigerkomplex in Tokai, Japan [1]
(a) Photo des inneren Tanks während
(b) Ungefähre Lage des Super-KamiokandeDetektors im Berg
der Wartung der unteren Photomultiplier
Abbildung 1.4: Bilder des Super-Kamiokande Detektors [4]
1.3.2 Super-Kamiokande
Das Kamiokande-Experiment wurde ursprünglich zur Beobachtung eines hypothetischen Protonenzerfalls entwickelt. Der Name stand daher zunächst für Kamioka Nucleon Decay Experiment. Heute wird
die Erweiterung des Detektors (Super-Kamiokande bzw. SuperK) vorrangig zur Detektion von Neutrinos eingesetzt und daher meist als Kamioka Neutrino Detector Experiment vorgestellt. Super-Kamiokande ist ein Wasser-Cherenkov-Detektor mit 50 kt hochreinem Wasser, welcher von ungefähr 10000
Photomultipliern ausgelesen wird. Abbildung 1.4 zeigt das Innere des Detektors und die ungefähre Lage
des Detektors im ehemaligen Bergwerk Kamiloka.
Der Cherenkov-Effekt beschreibt die Ausbildung eines Lichtkegels in einem Medium, ähnlich einem Mach’schen Kegel bei Schall. Wenn sich ein geladenes Teilchen schneller bewegt als die Lichtgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium, werden Photonen emittiert, die für ein Teilchen mit β ≈ 1
in Wasser (Brechungsindex n) unter einem Winkel von θ = 42 ◦ zur Flugrichtung des Teilchens ausgesandt werden:
1
mit β = v/c.
(1.16)
cos(θ) =
nβ
Diese Lichtkegel zeigen sich als Ringe an der Detektorwand, woraus die Richtung des erzeugenden
Teilchens rekonstruiert werden kann (Abb. 1.6). Von besonderem Interesse für das T2K-Experiment ist
dabei auch die Unterscheidung zwischen Elektronen (aus νe ) und Myonen (aus νµ ). Schnelle Elektronen
geben im Medium große Teile ihrer Energie durch Bremsstrahlung an Kernen ab und diese Photonen
konvertieren wiederum zu Elektron-Positron-Paaren, die ebenfalls Cherenkov-Licht abgeben können.
12
RWTH Aachen
1.3. DAS T2K-EXPERIMENT
u _>
>>
>>
>>
> W
? /o o/ /o
d
−
?ℓ
~~
~
~~
~~
`@@
@@
@@
@@
νℓ
d _>
>>
>>
>>
W
@ /o o/ o/
?ℓ
~~
~
~~
~~
_@@
@@
@@
@
+
↑ Zeit
ν¯ℓ
u
d + νℓ −→ u + ℓ−
u + ν¯ℓ −→ d + ℓ+
(a) Neutrino Reaktion
(b) Anti-Neutrino Reaktion
Abbildung 1.5: Nachweisreaktion von Neutrinos. Das Neutrino konvertiert an einem Kern zum entsprechenden geladenen Lepton, welches dann nachgewiesen wird.
(a) Ein 1063 MeV Neutrino (MC) trifft ein freies, ruhendes
(b) Muster eines 600 MeV Elektrons (MC). Die Farbpalette
Proton und produziert ein 1032 MeV Myon. Der Farbindex
reicht über eine Zeitspanne von 987 bis 1080 ns mit Schritten von 2,3 ns.
entspricht einem Zeitintervall von 87 ns. Die Ereignisstruktur ist deutlich diffuser als die eines Myon-Ereignisses.
Abbildung 1.6: Beispiele zweier Ereignisse im Super-Kamiokande Detektor [6]. Die Markierungen ge-
ben die Schnittpunkte der Verlängerung der Teilchenspur ( +“ Eintritt, “ Austritt) und die Projektion
”
”
der Vertexposition auf die Zylinderwand und -deckel ( ד) an.
”
Die Überlagerung vieler schwacher Ringe mit leicht verschiedenen Richtungen bildet ein diffuses Muster (Abb. 1.6 (b)). Im Gegensatz erzeugen myonische Ereignisse wie in Abbildung 1.6 (a) einen scharf
abgegrenzten Ring, da sich auf Grund der hohen Myonenmasse kein so starker elektromagnetischer
Schauer ausbildet.
Die Feynman-Graphen in Abbildung 1.5 zeigen die Nachweisreaktion eines Neutrinos. Die Wechselwirkung mit einem Quark aus Proton/Neutron wandelt das Neutrino in das entsprechende geladene
Lepton, welches dann wie oben beschrieben nachgewiesen wird.
Die Schwellenergien für das Entstehen eines Cherenkov-Lichtkegels im Super-Kamiokande-Detektor ist angegeben mit [4]
Cherenkov Schwellenergie [MeV]
e±
µ±
π±
Dennis Terhorst
0,768
158,7
209,7
13
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Anode mit Micromegas
Kathode
E
E
2.5m
z
y
x
1m
2.5m
(a) Schnitt durch den ND280. Der Neutrinostrahl durchläuft den Detektor
(b) Time Projection Chamber des ND280.
von links [26]
Abbildung 1.7: Aufbau des ND280. Im Driftgasvolumen wird zwischen der zentralen Kathode und den
Micromegas an den Seitenflächen das Driftfeld angelegt.
1.3.3 ND280
Um die Strahleigenschaften des unoszillierten Neutrinostrahls zu überwachen sind 280 m hinter dem
Neutrino-Produktionstarget mehrere Detektoren aufgestellt. Abbildung 1.7 zeigt schematisch den ND280Aufbau. Folgende Liste gibt einen Überblick über die einzelnen Detektoren welche sich innerhalb des
Magneten des UA1-Experiments (0,2 T in einem inneren Volumen von 3,5 m × 3,6 m × 7, m) befinden [25].
Pi-Zero Detektor (P0D) Strahl-aufwärts gelegen misst dieser Detektor die π0 -Produktionsrate (neutral
current). Er besteht aus Lagen von szintillierenden Stangen, welche durch Bleifolien getrennt
sind.
Tracker In Strahlrichtung hinter dem P0D gelegen sind hochauflösende Spurdetektoren zur Bestimmung der Teilchenimpulse.
TPCs Drei TPCs (engl. time projection chamber) bestimmen die drei komponenten des Teilchenimpulses.
FGD Die zwei FGD-Module (engl. fine grained detectors) zwischen den TPCs, bestehend aus
fein segmentierten szintillierenden Stangen, bilden die Targetmasse für Neutrino-Wechselwirkungen,
die mit den TPCs aufgezeichnet werden.
Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL) Ein Bleikristall-Kalorimeter umgibt die P0D und TPC+FGD
Detektoren und dient dem Nachweis von Photonen, welche für die Rekonstruktion von π0 -Zerfällen
innerhalb des Spurdetektors benötigt werden.
Seitlicher Myon-Reichweiten Detektor (SMRD) Dieser Detektor basiert ebenfalls auf szintillierenden Material, welches in Spalte des UA1-Magneten eingeschoben wird. Neben der Messung der
Reichweite von Myonen, die im Detektor produziert werden, dient er zusätzlich als Veto für Ereignisse, die ihren Ursprung nicht innerhalb des Detektors haben. Für die Kalibration des Spurdetektors wird er als Trigger für Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung eingesetzt.
Mit Hilfe dieser Detektoren kann das Energiespektrum des Neutrinostrahls und dessen FlavourZusammensetzung vor der Oszillationsstrecke gemessen, sowie wichtige Wirkungsquerschnitte der NeutrinoWechselwirkungen bestimmt werden. Die gewonnenen Daten werden dazu verwendet die Ereignisraten
im Super-Kamiokande-Detektor vorauszusagen.
14
RWTH Aachen
1.4. DRIFTKAMMERN
1.4 Driftkammern
1.4.1 Physikalisches Prinzip
Driftkammern sind Detektoren, welche den Durchgang geladener Teilchen durch ein Gasvolumen feststellen können. Der Nachweis der Teilchen geschieht dabei über die zurückbleibende Ionisationsspur,
die von einem Teilchen erzeugt wird.
Durchgang geladener Teilchen durch Materie
Beim Durchgang geladener Teilchen durch Materie treten verschiedene Effekte auf, welche einen Energieverlust des Primärteilchens zur Folge haben: Anregungen der Atome / Moleküle, Stoßionisation,
Bremsstrahlung und Paarbildung [16]. Der Energieverlust pro Wegstrecke, den ein Teilchen der Energie E und Masse m durch Ionisation erfährt, wird näherungsweise durch die Bethe-Bloch-Formel beschrieben
#
!
!2 "
e2
dE
4π nz2
2me c2 β2
2
.
(1.17)
−
β
·
·
−
=
·
ln
dx
4πε0
me c2 β2
I · (1 − β2 )
x
z · e, m, E
=
=
I
me
=
=
e =
n =
Weglänge
Ladung, Masse und Energie des einfallenden Teilchens
Ladung des Elektrons
Elektronendichte des Materials
Mittleres Anregungspotential des Targets
Ruhemasse des Elektrons
β =
v =
v/c
Geschwindigkeit des Teilchens
c =
Lichtgeschwindigkeit
Abbildung 1.8 zeigt die Anteile der verschiedenen Mechanismen des Energieverlusts pro Wegstrecke für Elektronen in Materie. Elektronen mit Energien unterhalb einiger MeV verlieren offensichtlich
den Großteil ihrer Energie durch Ionisation. Für Elemente mit kleinerer Kernmasse und -Ladung, als die
von Blei (207,2 u, Z = 82, [27]), ist der Anteil der Bremsstrahlung noch geringer, da die Massenzahl A
und Ladung e · Z wie folgt in den Energieverlust durch Bremsstrahlung eingeht [5]
!2
dE e2
Z2 2 1
183
− ·
·z
= 4α · NA ·
(1.18)
· E ln 1/3 .
2
dx brems
A
4πǫ0 mc
Z
Dabei ist
Z, A
z, m, E
= Ladungs- und Massenzahl des bremsenden Mediums und
(1.19)
= Ladung, Masse und Energie des einfallenden Teilchens.
(1.20)
Elektronen einer 90 Sr-Quelle mit Emax = 1 MeV verlieren in Argon pro Zentimeter ≈ 2,33 keV/cm
ihrer Energie. Der mittlere Energieverlust bei einer Ionisation ist 26,3 eV, daher werden etwa 95 Elektronen pro Zentimeter ausgeschlagen. Es finden circa 27 ionisierende Kollisionen/cm [37] statt, bei denen
die Argon-Atome entsprechend mehrfach ionisiert werden.
Spektrum Auf Grund einer gewissen Wahrscheinlichkeit für Stöße mit einem hohen Energieübertrag
(head-on-collisions, δ-rays) wird das Spektrum, der von Elektronen im Detektor deponierten Energie,
stark asymmetrisch. Die Landau-Vavilov-Verteilung beschreibt dies mit einer nicht verschwindenden
Wahrscheinlichkeit für hohe Energieverluste. 3 Ein mittlerer Energieverlust ist damit nicht mehr definiert, so dass dazu übergegangen wird, die Verteilung mit dem wahrscheinlichsten Energieverlust zu
beschreiben.
3 Für dünne Detektoren wie Silizium-Streifendetektoren oder TPCs ist dieser Effekt weniger asymmetrisch ausgeprägt, erreicht
aber nicht die Gaus-Verteilung ([11], Kap. 27).
Dennis Terhorst
15
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Positrons
Electrons
0.15
Bremsstrahlung
0.10
Ionization
0.5
Møller (e −)
Bhabha (e +)
0
1
(cm2 g−1)
− 1 dE (X0−1)
E dx
1.0
0.20
Lead (Z = 82)
0.05
Positron
annihilation
10
100
1000
E (MeV)
Abbildung 1.8: Anteile des Energieverlustes von Elektronen in Materie [16].
Durchgang von Photonen durch Materie
Wird Materie von einem Photon durchquert treten verschiedene Effekte auf. Der photoelektrische Effekt,
bei dem ein Elektron aus dem Atom durch Absorption des Photons ausgeschlagen wird, und RayleighStreuung, bei der das Photon erhalten bleibt, tritt hauptsächlich bei Photonen-Energien unterhalb von
1 MeV auf. Oberhalb der Grenzenergie 1 MeV kann ein Photon im Kern- oder bei höheren Energien
auch im Elektronenfeld zu einem Elekton-Positron-Paar konvertieren. Compton-Streuung, bei dem ein
Photon durch Streuung an einem Elektron Energie verliert, tritt vorrangig im Übergangsbereich zwischen diesen Effekten auf. Die Wirkungsquerschnitte der Effekte sind in Abbildung 1.9 exemplarisch
für Kohlenstoff und Blei dargestellt.
Für die Monitorkammer wird zur Erzeugung von Ladungen innerhalb des Driftgasvolumens eine
55
Fe-Quelle mit Eγ = 5888 eV verwendet. In diesem Energiebereich dominiert der photoelektrische
Effekt, daher schlagen Photonen dieser Quelle vorragig Elektronen aus der Hülle des Argons aus. Die
Energie der Elektronen Eγ − Ebind , wird durch Ionisation anderer Argon-Atome wieder abgebaut. Auf
Grund der mittleren Ionisationsenergie von Argon von 26,3 eV [37] sind circa 220 Ionisationen notwendig, um das Elektron zu stoppen. Dies ist für die Gain-Messung sehr vorteilhaft, da die erzeugte
Ladungsmenge der Ionisationsspur konstant und bekannt ist.
Wird durch ein Photon ein Elektron aus der K-Schale des Argons ausgeschlagen, so erhält es als
kinetische Energie Ebind = 3206 eV [9] weniger als die Photon-Energie. Durch das Zurückfallen eines
Elektrons auf das freigewordene Energieniveau der K-Schale wird ein entsprechendes Photon emittiert,
welches wieder ein Elektron aus einem anderen Argon-Atom ausschlagen kann. Dadurch wird die gesamte Energie des Photons im Detektor als Ionisation messbar. Wird das Photon nicht innerhalb des
Driftgasvolumens gestoppt, so geht dessen Energie nicht mehr in die Messung ein. Bei einer Messung
des Energiespektrums tritt daher ein weiterer Peak, der sogenannte Escape-Peak, bei Eγ − EKα auf (bei
55
Fe Eesc ≈ 3 keV auf. Das gemessene Energiespektrum von Photonen, die innerhalb des Driftvolumens
absorbiert werden, wird durch eine Gauß-Verteilung (mit einem zusätzlichen Escape-Peak) beschrieben.
Drift
Sehr niederenergetische Elektronen innerhalb des Driftgases streuen vorrangig an Gasmolekülen, und
verlieren dadurch einen Teil ihrer Energie, die sie in einem elektrischen Feld E nach einer Zeit wiedergewinnen. Abhängig von der mittleren Zeit τ zwischen zwei Stößen stellt sich dabei eine konstante
mittlere Geschwindigkeit entlang des elektrischen Feldes ein, die Driftgeschwindigkeit
vdrift =
16
eE
τ.
me
(1.21)
RWTH Aachen
1.4. DRIFTKAMMERN
(a) Carbon ( Z = 6)
- experimental σtot
Cross section (barns/atom)
1 Mb
σp.e.
1 kb
σRayleigh
1b
κ nuc
σCompton
κe
10 mb
(b) Lead (Z = 82)
Cross section (barns/atom)
1 Mb
- experimental σtot
σp.e.
σRayleigh
1 kb
σg.d.r.
1b
10 mb
10 eV
κe
σCompton
1 keV
κ nuc
1 MeV
1 GeV
100 GeV
Photon Energy
Abbildung 1.9: Wirkungsquerschnite von Photonen in Materie in Abhängigkeit von der Energie exem-
plarisch für Kohlenstoff (oben) und Blei (unten) [11].
Dennis Terhorst
17
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Tabelle 1.2: Eigenschaften des T2K-Driftgases (Simulation mit Magboltz) für ein Driftfeld von
300 V/cm, ohne Magnetfeld.
Driftgeschwindigkeit vdrift = 78,42 µm/ns
Diffusion
transversal
Dtransversal = 4,0 · 103 cm2 /s
longitudinal
Dlongitudinal = 1,6 · 103 cm2 /s
Mittlere Energie
hEi = 0,2658 eV
Der Geschwindigkeitszuwachs zwischen zwei Kollisionen wird dabei im Mittel wieder durch die Stöße
abgebaut. Auf einer Strecke x sind dies im Mittel n = x/(vdrift ∗ τ). Verliert das Elektron den Bruchteil b
seiner mittleren Energie hEi in jeder Kollision, so gilt im Gleichgewicht
x
hEi b = eE x.
vdrift · τ
(1.22)
Dies berücksichtigt noch nicht die Energieanteile aus der thermischen Bewegung der Gasmoleküle.
Wird die Geschwindigkeit, und damit quantenmechanische Wellenlänge der Elektronen, vergleichbar mit der Größe der molekularen Potentiale, so werden diese quasi tansparent für die Elektronen und
die Driftgeschwindigkeit wird maximal (Ramsauer-Effekt). Eine TPC wird für gewöhnlich in diesem
Bereich betrieben, da die Driftgeschwindigkeit als Funktion des elektrischen Feldes ein Maximum besitzt und deshalb kaum von Inhomogenitäten des Feldes abhängt.
Durch Simulationen (Anhang B) können viele Parameter der Elektronendrift abgeschätzt werden.
Für die vorgesehene Gasmischung der T2K-TPC von Argon/Tetraflourmethan/Isobutan (95:3:2) sind die
wichtigsten Eigenschaften in Tabelle 1.2 zusammengefasst. Dabei ist die Diffusion einer punktförmigen
Elektronenwolke definiert durch die verbreiterte Gauß-Verteilung der Elektronenanzahldichte n, welche
gegeben ist durch
!3
!
−r2
1
· exp
mit
r2 = x2 + y2 + (z − vdrift t)2 .
(1.23)
n= √
4Dt
4πDt
√
Die Breite der Verteilung ist demnach σ = 2Dt.
1.4.2 Bauformen
Um die Ionisationsspur, die von einem Teilchen erzeugt wird, nachzuweisen wird ein elektrisches Feld
angelegt, welches die Elektronen zur Anode und die positiv geladenen Ionenrümpfe zur Kathode zieht.
Dieses Feld wird so gewählt, dass die Elektronen selbst keine weitere Ionisation verursachen.
Zur Detektion der driftenden Ladungen wird der Effekt der Gasverstärkung genutzt (engl. gain,
Verstärkung, Zuwachs). Ist das elektrische Feld in einem Bereich stark genug, wird ein einfallendes
Elektron beschleunigt und schlägt selbst weitere Elektronen aus Gasatomen/-molekülen aus. Es bildet
sich so lawinenartig eine Ladungsmenge, die an einem Leiter einen messbaren Spannungsimpuls verursachen kann. In der Form des Feldes liegen die größten Unterschiede zwischen den verschiedenen
Bauformen von Driftkammern. Diese werden im Folgenden kurz erläutert.
Drahtkammern (Abb. 1.10 links) Eine einfache Möglichkeit das elektrische Feld lokal stark zu erhöhen ist, als Anode einen sehr dünnen Draht zu verwenden. Durch den kleinen Radius in der Größenordnung von einigen Mikrometern laufen die Feldlinien stark zusammen und die Feldstärke nimmt in der
Umgebung des Drahtes stark zu. Diese sehr einfache Konstruktion ist ein Vorteil, da schon ein gasgefülltes Röhrchen (Strawtubes, CMS Myon-Kammern) als fertiger Detekor funktioniert. Nachteilig ist, dass
die Position des Teilchennachweises entlang des Drahts nicht genau zu bestimmen ist. Es geht somit eine
Positionsinformation verloren, die erst durch Schichten von Detektorlagen verschiedener Orientierung
wiedergewonnen werden kann.
GEMs (Gas Electron Multiplier [17], Abb. 1.10 Mitte) Um Gasverstärkung zu erzielen wird eine
beidseitig kupferbeschichtete Folie mikroperforiert. Wird dann zwischen den Seiten eine Spannung angelegt ist das Feld im Inneren der Löcher groß genug um einen Gasverstärkungseffekt zu bewirken.
18
RWTH Aachen
1.4. DRIFTKAMMERN
Abbildung 1.10: Prinzipieller Aufbau verschiedener Konstruktionen zur Gasverstärkung in Driftkam-
mern. Von links: Strawtubes, GEM und Micromegas. Bereiche in denen Gasverstärkung auftritt sind
bläulich markiert.
Es werden meist mehrere Folien übereinander gelegt, um den Verstärkungsfaktor weiter zu erhöhen.
Um die verstärkten Elektronenpulse auszulesen wird der Folienstapel über einer strukturierten Platine
montiert, so dass die Elektronenwolken auf die Kupferflächen auftreffen und damit ausgelesen werden
können. Von Vorteil ist der natürliche Erhalt der zweidimensionalen Ereignisstruktur, nachteilig ist der
relativ komplizierte Aufbau und die mehrstufige Hochspannungsversorgung der einzelnen Folien eines
GEM-Stapels.
Micromegas (MicroMEsh GAseous Structure [38], Abb. 1.10 rechts) Bei dieser Bauform verwendet
man ähnlich wie bei GEMs eine Platine zur Auslese und erhält dadurch die zweidimensionale Ereignisstrukur. Anders als zuvor beschrieben wird bei Micromegas die Gasverstärkung jedoch nur in einem
einzigen Bereich erzielt. Etwa 100 µm über den Kupferflächen der Platine wird auf Klebersäulen ein
Drahtnetz gehalten. Wird nun zwischen diesem Netz und der Platine eine Spannung angelegt, so ist das
Feld im Zwischenraum groß genug um Gasverstärkung zu erreichen.
1.4.3 TPC – Time Projection Chamber
Eine spezielle Anwendung der beschriebenen Formen der Gasverstärkung ist die Verwendung in einer TPC (engl. time projection chamber, Zeitprojektionskammer). Dabei wird die Ionisationsspur durch
ein homogenes elektrisches Feld auf die eine Kammerseite projeziert, wo sie ortsaufgelöst nachgewiesen wird. Abbildung 1.11 zeigt schematisch den Aufbau. Auf Grund der größeren Mobilität der
Elektronen im Gegensatz zu den Ionenrümpfen, wird meistens die Anode als Nachweisfläche verwendet. Zum Nachweis der Elektronen mittels Gasverstärkung kommen GEMs und Micromegas, jedoch
auch Drahtkammern (multi-wire proportional chamber, MWPC) zum Einsatz. Die T2K-TPC verwendet zum Nachweis der Ionisationsspur Micromegas auf der Anodenseite. Ist zusätzlich noch die Zeit
des Teilchendurchgangs bekannt, so kann mit Hilfe der Driftgeschwindigkeit über die Zeitdifferenz des
Teilchendurchgangs zum Auftreffzeitpunkt der Ionisationsspur auf der Anode, die zur Driftrichtung longitudinale Raumkoordinate der Spur berechnet werden. Die Richtung der Spuren gibt Aufschluss über
die Herkunft der Teilchen.
Da sich die Bahnen von geladenen Teilchen auf Grund der Lorentzkraft in einem Magnetfeld krümmen, kann eine TPC auch zur Identifikation der Ladung und des Impulses der Teilchen benutzt werden.
Die Richtung der Bahnkrümmung in Bezug auf das Magnetfeld zeigt dabei die Ladung des Teilchens
an und aus der Krümmung der Bahn kann der Impuls berechnet werden. Als einfache Betrachtung sei
folgende Gleichung gegeben:
~
F~L = q ~v × B,
mv2
F~R = 2 · ~r mit r = ~r
r
(1.24)
Da die Lorentzkraft F~L immer parallel zur Zentrifugalkraft F~R ist, kann man die Gleichungen betragsmäßig gleichsetzen und erhält
p
mv
=
(1.25)
r=
qB qB
Dennis Terhorst
19
KAPITEL 1. EINLEITUNG
Kathode
V drift
e−
e−
Primärteilchen
e−
E
Anode
Abbildung 1.11: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer TPC. Die Elektronen, der
vom Primärteilchen erzeugten Ionisationsspur, driften im Feld zur Anode, wo sie mit Hilfe eines
Micromegas- oder GEM-Detektors nachgewiesen werden.
mit dem Impuls p und der Ladung q = e des Teilchens. Die Detektoren des ND280 werden daher in
einem Magnetfeld von 0,2 T betrieben.
Der Betrieb einer TPC in einem Magnetfeld, welches parallel zur Driftrichtung liegt hat außerdem
den Vorteil, dass die transversale Diffusion der Elektronenwolken zum Teil unterdrückt wird. Mit der
Zyklotronfrequenz ωB = B · e/m = Bµ/τ, der Mobilität µ der Elektronen und der mittleren Zeit τ
zwischen den Stößen ergibt sich [37]
DT (B)
1
.
=
DT (0) 1 + ω2B τ2
(1.26)
Mit der Driftgeschwindigkeit der Elektronen vdrift = e/m Eτ = µE lässt sich damit die Unterdrückung
der Diffusion in der ND280-TPC mit den gegebenen Werten errechnen.
DT (B)
1
1
≈
=
≈ 80%
2
DT (0) 1 + v B
1,27
drift E
(1.27)
Diese geringe Unterdrückung der Diffusion auf 80% ist auf das kleine Magnetfeld zurückzuführen. In
Detektoren mit stärkeren Magnetfeldern werden Faktoren der Größenordnung 1/100 erreicht (obige
Rechnung mit B = 4 T).
20
RWTH Aachen
Kapitel 2
Laborumgebung
Für den Testbetieb der Kammer werden im Labor verschiedene Systemkomponenten benötigt, welche
in diesem Kapitel vorgestellt werden. Jedes Teilsystem ist dabei prinzipiell auch unabhängig zu verwenden, wobei die endgültigen Ergebnisse durch Zusammenschalten aller Systeme erreicht wurden.
In den folgenden Abschnitten werden zunächst die einzelnen Hardware-Komponenten beschrieben
und im Anschluss folgt eine Übersicht der verwendeten Software, um diese Komponenten als Gesamtsystem nutzbar zu machen.
2.1 Gassystem
Um die Kammer unter verschiedenen Bedingungen zu testen wurde ein Gassystem aufgebaut, welches
in der Lage ist die Zusammensetzung, Druck und Flussrate des geählten Gases festzulegen. Ebenso
wie bei der T2K-TPC [25] soll eine Gasmischung von Ar : CF4 : iC4 H10 im Verhältnis 95 : 3 : 2,
gemischt werden können. Darüber hinaus soll es möglich sein die Gasanteile in einem Bereich um
dieses Verhältnis zu variieren, um den Effekt von Abweichungen abschätzen zu können.
2.1.1 Gasmischsystem
Um die verschiedenen Gase zu mischen werden Flussregler der Firma Bronkhorst Mättig GmbH eingesetzt, welche über ein Bussystem angesteuert werden können (Abb. 2.2). Der sogenannte Flowbus
verbindet die Geräte untereinander und enthält außerdem die Stromversorgung der Geräte. Für die Ansteuerung wird eine R232-Schnittstelle verwendet, welche an einigen Flussreglern verfügbar ist.
Die Flussregler sind werkseitig auf verschiedene Gase kalibriert, was je nach verwendetem Ventil
zu verschiedenen maximalen Flüssen für verschiedene Gase führt. In Tabelle 2.1 sind die Regelbereiche
der drei im Labor verwendeten Flussreglertypen aufgeführt. Außerhalb des Regelbereiches springt der
Stellwert auf Ventil geschlossen“ oder verbleibt auf dem Maximalwert, daher wurden zwei verschiede”
ne Methoden entwickelt Gase mit verschiedenen Anteilen zu mischen: Zunächst durch die Vormischung
in einem Puffer aus dem das gewünschte Gasgemisch entnommen werden kann und die direkte Methode
über die Steuerung des Flusses der verschiedenen Gase. Der Aufbau des Gassystems ist in Abbildung 2.1
schematisch dargestellt.
Mischen über Zeit
Diese Methode basiert darauf, dass der Puffer verschieden lange mit den einzelnen Gasen befüllt wird.
Durch die Anpassung der Füllzeiten wird der nötige Gasfluss in den vorhandenen Regelbereich des
Ventils verlagert. Dies war erforderlich, da zunächst nur Ventile des 100 ℓ-Typs verfügbar waren, deren
Untergrenzen des Regelbereichs oberhalb des Flusses liegen, um z. B. 2% Isobutan dem Gas zuzumischen.
Die Regelung wurde so realisiert, dass alle Ventile mit den benötigten Gasen geöffnet und dann nach
Erreichen der angestrebten Gasmenge wieder geschlossen werden. In einem zweiten Schritt kann dann
das gewünschte Gasgemisch dem Puffer entnommen werden.
Dennis Terhorst
21
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
Auslass
von den Flaschen
(mit Druckminderern)
Massenflussregler
zur Vakuumpumpe
zum Gaschromatographen
Puffer
zur Kammer
Aux
Bypass
Legende
Druckmesser/−anzeige
Flowbus
Überdruckventil
Handventil
Vordruckregler
vom Mischsystem
Testkammer
Ventil (elektisch)
Auslass
Flussregler
Druckregler
Abbildung 2.1: Schematischer Aufbau des Gasmischsystems. Möglich ist sowohl das Mischen über Zeit,
als auch das direkte Mischen über den Gasfluss.
Tabelle 2.1: Tabelle der maximalen Flüsse der Flussregler
Nr.
0
1
2
3
4
5
6
7
22
Gas
Ar
CO2
CH4
CF4
C4H10 #1
C4H10 #2
He
Xe
Air
100 ℓ-Typ
Max [ ℓn /h]
100.00
52.68
54.76
31.48
18.04
–
101.46
54.00
1.00
10 ℓ-Typ
Max [ ℓn /h]
10.00
5.20
5.40
3.10
–
1.80
10.10
6.30
1.00
1 ℓ-Typ
Max [ ℓn /h]
1.00
0.52
0.54
0.31
–
0.18
0.99
0.80
1.00
RWTH Aachen
2.1. GASSYSTEM
Abbildung 2.2: Digitale Flussregler zum Mischen der Gase (links), Gaschromatograph zur Verifikation
der Gasmischung (rechts)
Ein Vorteil ist, dass es dabei nicht stark auf den Regelbereich des Ventils ankommt. Nachteilig ist,
dass nur eine begrenzte Menge Gas verfügbar ist ohne zwischendurch den Puffer neu zu füllen; es ist
also kein kontinuierlicher Betrieb möglich. Zusätzlich birgt die Einschaltcharakteristik der Ventile eine
gewisse Unsicherheit für die tatsächlich abgegebene Gasmenge und damit die Zusammensetzung des
Gasgemisches. Weiter ist der Aufbau des Leitungssystems relativ komplex, da zusätzlich eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Puffers nötig ist, was zu erhöhter Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten
und damit Verunreinigungen führt.
Es bleibt zu sagen, dass trotz der erheblichen Nachteile mit dieser Methode als Übergangslösung
durchaus gearbeitet werden kann. Besteht jedoch die Möglichkeit direkt zu mischen, sollte die nachfolgend beschriebene Methode deutlich präferiert werden.
Mischen über Fluss
Stehen Ventile mit den notwendigen Regelbereichen zur Verf ügung können die gewünschten Gase direkt
im richtigen Verhältnis zusammengeführt werden. Dies erlaubt es Messungen ununterbrochen durchzuführen und vereinfacht den Aufbau erheblich. Auch die Einschaltcharakteristik der Ventile hat keine
negativen Auswirkungen mehr auf die finale Gaszusammensetzung.
Nachteilig ist jedoch, dass der erreichbare Ausgangsdruck des Mischsystems immer kleiner sein
muss, als der kleinste Vordruck. Insbesondere Isobutan ist in dieser Hinsicht problematisch, da es schon
bei recht geringen Drücken kondensiert. Es ist darauf zu achten, dass bei einer Drucksteigerung am
Ausgang des Mischsystems, etwa durch Schließen eines Ventils, das Gas mit dem größten Vordruck in
die Leitungen der anderen Gase gedrückt wird. Die Flussregler können den Fluss nicht aufrecht erhalten
und öffnen daher die Ventile letztendlich komplett. Es ist zu prüfen, ob separate Rückschlagventile nötig
sind um dies ggf. zu verhindern.
Ein Gaschromatograph (Abb. 2.2) wurde in Betrieb genommen um die Gasmischung zu verifizieren.
Bisher ist die Genauigkeit der Chromatogramme jedoch noch nicht geprüft, daher wurden für diese
Arbeit die Stellwerte der Massenflussregler als Grundlage der Berechnung der Gasmischung verwendet.
Die Herstellerangabe auf die Genauigkeit der Regler ist ±0,5 % der Messbereichsbreite1 . Die wirkliche
Gasmischung muss gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt verifiziert werden.
2.1.2 Gaschromatograph
Zur Analyse von Gasen steht im Labor ein Gaschromatograph (GC) der Firma SRI/Schambeck GmbH
zur Verfügung. Das Modell SRI8610C ist mit einem Ofen für zwei Säulen und zwei Detektoren (TCD
und HID) ausgestattet.
Ein Gaschromatograph spaltet zunächst Gasbestandteile durch unterschiedliche Laufzeiten in einer gewickelten, kapillarartigen Röhre auf (die sogenannte Säule) und zeichnet dann die unterschiedlichen Austrittszeitpunkte der Gase am Ausgang der Säule auf. Als Sensoren am Ausgang der Säulen
1 Eigene
Messungen mit Referenzvolumen konnten dies bisher nicht bestätigen.
Dennis Terhorst
23
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
liefern ein Wärmekapazitätsdetektor (TCD, engl. temperature coefficent detector) und ein HeliumIonisationsdetektor (HID, engl. helium ionization detector) Signale an einen angeschlossenen PC, die
proportional zur Menge des betreffenden Gases sind. Sind die Laufzeiten der Gasbestandteile und die
Kalibration des Detektors bekannt, kann so die Gaszusammensetzung ermittelt werden.
Um die Gasprobe durch die in einem temperaturgeregelten Ofen untergebrachte Säule zu spülen, kommt als Trägergas Helium zum Einsatz. Der Gaschromatograph im Labor
ist mit zwei Säulen ausgestattet, die jeweils auf das Auftrennen verschiedener Gase optimiert sind. Einerseits trennt eine Haysep-D-Säule (≈ 2 m) die Gase Ar/Luft, CF4 , iC4 H10
und CO2 , andererseits soll ein 5m-Molsieb die schwer zu
trennenden Bestandteile Argon und O2 auflösen. Da Argon
und O2 annähernd gleiche Durchlaufzeiten haben, ist die
Analyse eines Luftlecks ggf. nur über die Bestimmung des
N2 Gehalts möglich, von dem auf den O2 Anteil geschlossen
werden kann.
Abbildung 2.3: Gaschromatograph der
2.1.3 Einheiten
Firma Schambeck SFD
Beim Umgang mit Gasen treten immer wieder verschiedene
Einheiten auf, deren Bedeutung hier kurz erläutert werden
soll.
Druckangaben
Bei Druckangaben muss generell zwischen Absolutdruckangaben und Relativdruckangaben unterschieden werden. Bei ersteren ist der Umgebungsdruck in der Angabe enthalten, daher wird als Einheitenzeichen barabs (bar absolut) geschrieben, wenn die Bedeutung nicht aus dem Zusammenhang klar wird.
Zweitere bezeichnen Angaben über dem Umgebungsdruck und werden mit der Einheit barg (bar gauge2
gekennzeichnet.
Gasfluss- oder Mengenangaben
Besonders im Umgang mit den beschriebenen Massenflussreglern ist die Bezeichnung eines Flusses
mit ℓ/h missverständlich. Besser wird der Massenfluss auf Grund der Kompressibilität des Gases in
Normlitern pro Stunde ℓn /h gemessen. Ein Normliter bezeichnet dabei die Gasmenge, welche unter
Normalbedingungen (bei den Bronkhost Massenflussreglern nach DIN 1343: 1,01325 barabs, 0 ◦ C) genau 1000 cm3 ausfüllen.
2.2 Szintillatoren
Der Durchgang geladener Teilchen führt in einigen Materialien zur Anregung von Quantenzuständen, die in Form von
Photonenemissionen wieder in den Grundzustand übergehen. Dies wird als Szintillation bezeichnet (lat. scintillare,
funkeln, flackern). Solche Materialien werden in der Teilchenphysik oft mit Photomultipliern (Sekundärelektronenvervielfacher) oder Photodioden ausgelesen. Auf Grund der
hohen erreichbaren Zeitauflösung und Proportionalität der
Lichtausbeute zur Energie des einfallenden Teilchens eignen sich diese Detektoren gut als Trigger oder für Energiemessungen (Kalometrie, dE/dx).
Für die Messungen im Labor und für die Driftkammer Abbildung 2.4: Szintillierende Faser für
werden Plastik-Szintillatoren der Firma Saint-Gobain Cry- das Triggersystem
stals verwendet (Abb. 2.4, Spezifikationen in Tabelle 2.2).
2 engl.
24
gauge, Anzeige
RWTH Aachen
2.3. PHOTOMULTIPLIER
Tabelle 2.2: Spezifikationen des Szintillatormatierals [13]
Hersteller
Typ
Emissionsfarbe
Emissions-Peak
Abfallszeit
Absorbtionslänge (1/e)*
Photonenanzahl pro MeV**
∗
Saint-Gobain Crystals
BCF-12
Blau
435 nm
3,2 ns
2,7 m
≈ 8000
Für eine Fiber mit 1 mm Durchmesser, gemessen mit einem bialkili-Kathoden PMT
Für minimal-ionisierende Teilchen (MIP), korrigiert auf die PMT Sensitivität
∗∗
Diese Fasern mit einem Qerschnitt von 1 × 1 mm bestehen
aus einem szintillierenden Kern, welcher mit einem Material mit anderem Brechungsindex umgeben
sind. An der Grenzschicht zwischen den Materialien tritt Totalreflexion auf, wodurch Fasern gleichzeitig als Photonenleiter fungieren. Sie können gebogen und damit dem Aufbau optimal angepasst werden.
An den polierten Enden der Faser werden Photomultiplier angebracht, welche die Photonen in elektrische Signale wandeln. Diese werden dann verstärkt und weiterverarbeitet.
2.3 Photomultiplier
Um schwache Lichtsignale, z. B. von szintillierenden Materialien, zu messen werden Photomultiplier
(PM) verwendet. Diese Geräte setzen einfallende Photonen in elektrische Signale um, wobei die Auflösung je nach Modell durchaus ausreichen kann einzelne Photonen nachzuweisen. Normalerweise werden Photomultiplier so betrieben, dass das Ausgangssignal proportional zur Anzahl der einfallenden
Photonen ist.
Im Testaufbau wird das szintillierende Material mit Plexiglas-Lichtleitern optisch an Photomultiplier
gekoppelt. Im finalen Aufbau der Monitorkammer werden Fasern aus Szintillatormaterial direkt auf
Silizium-Photomultiplier geklebt.
2.3.1 Konventionelle Photomultiplier
Photomultiplier bestehen gewöhnlich aus einer evakuierten Glasröhre, deren Frontfläche innen metallisiert ist. Bevorzugt werden Alkalimetalle als Photokathode aufgedampft, da diese eine geringe Ionisationsenergie haben und damit auch niederenergetische einfallende Photonen ein Elektron auslösen
können. Das Elektron wird in einem elektrischen Feld auf eine Dynode hin beschleunigt, wo es beim
Auftreffen mehrere Elektronen ausschlägt. Diese werden wiederum zu einer weiteren Dynode beschleunigt und schlagen dort jeweils weitere Elektronen aus. Am Ende werden so viele Elektronen erzeugt,
dass ein messbares elektrisches Signal ausgekoppelt werden kann. Der schematische Aufbau eines solchen Photomultipliers ist in Abbildung 2.5 gezeigt. Die Form der Dynoden ist normalerweise auf bestimmte Aspekte optimiert, wie etwa eine möglichst schnelle oder gleiche Durchlaufzeit der einzelnen
Elektronenpakete.
2.3.2 Silizium-Photomultiplier
Betreibt man einen PN-Halbleiterübergang in Sperrrichtung nahe der Durchbruchspannung, so kann
man ebenfalls einen Verstärkungseffekt erzielen. Wie bei sogenannten Avalanche-Fotodioden (engl.
avalanche, Lawine, Stoßentladung) können bei hohen elektrischen Feldern in der Raumladungszohne freie Ladungsträger Valenzelektronen aus dem Gitter ausschlagen. Die ausgeschlagenen Elektronen
werden ebenfalls beschleunigt und schlagen ihrerseits weitere Elektronen aus, es bildet sich ein sprunghafter Anstieg des Stromes.
Dennis Terhorst
25
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
e−
Signal
u
t
Ground
−2kV
Abbildung 2.5: Skizze eines Photomultipliers. Die aus der Photokathode ausgeschlagenen Elektronen
werden über ein System von Dynoden vervielfacht“ und können direkt als Signal abgegriffen werden.
”
Tabelle 2.3: Charakterisierung der Silizium-Photomultiplier
HAMAMATSU MPPC
Typ
Sample Nr.
Vop
Dark Count Rate [25 ◦C]
∗
∗∗
Modul 1
S10362-11-100C
637
69,73 V
814 /ms∗
131 /ms∗∗
Modul 2
S10362-11-100C
654
69,45 V
543 /ms∗
82,5 /ms∗∗
Schwellspannung U thr = 0,5 V
Schwellspannung U thr = 1,5 V
Die primären Ladungsträger können durch Photonen erzeugt werden, so dass eine solche Diode als
Photonendetektor eingesetzt werden kann. Nachteilig ist, dass die Diode bei der Ausbildung einer Lawine in Sättigung geht, d. h. es gibt keinen messbaren Unterschied wie viele primäre Ladungsträger
erzeugt wurden. Dieses Problem lösen MPPCs (engl. Multi-Pixel Photon Counter), indem die Oberfläche in viele kleine Bereiche geteilt ist, über deren Grenzen sich der Lawinen-Effekt nicht ausbreitet.
Auf diese Weise wird das Ausgangssignal proportional zur Anzahl der einfallenden Photonen, wenn
in mehreren Pixeln gleichzeitig eine Lawine ausgelöst wird. Diese Konstruktion wird auf Grund der
ähnlichen Signal-Charakteristik oft als Silizium-Photomultiplier (Si-PM) bezeichnet.
Im Aufbau des Triggersystems werden Si-PMs der Firma Hamamatsu eingesetzt, um die zuvor
beschriebenen Szintillationsfasern auszulesen. Die Si-PMs sind vom Hersteller wie in Tabelle 2.3 charakterisiert.
2.4 Der VME-Bus
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden einige VME-Module verwendet, daher soll diese Systemarchitektur hier kurz umrissen werden.
Die Spezifikationen von VME (Versa Module Eurocard, [34], [33]) legen sowohl eine Grundlage für
die mechanischen Eigenschaften, als auch für die elektrischen Parameter einer herstellerübergreifenden
Computer-Bus-Architektur fest. Der VME-Bus ist ein asynchroner Bus, d. h. die Übertragungen werden mit Hilfe von Steuerleitungen (Strobe, Acknowledge) anstatt mit definierten Signalzeiten mit einer
System-Clock koordiniert. Es werden verschiedene Übertragungs-Modi definiert, welche eine Kommunikation zwischen den Modulen mit bis zu 64 Bit Datenwortbreite ermöglichen.
Der weit verbreitete VME-Industriestandard enthält zudem Normierungen für spezielle Anforderungen an Grounding, Hochfrequenz-Übertragung, spezielle Versorgungsspannungen, usw., welche besonders in der Physik von gesteigertem Interesse sind [36].
26
RWTH Aachen
2.5. FLASH ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (FADC)
Abbildung 2.6: VME Crate mit (v. l.) MVME3100 mit Festplatte, iSeg VHS4060n HV und zwei RWTH
VFADC50
2.4.1 VME Module
Es existiert ein weltweiter Markt für VME Module für unterschiedlichste Aufgaben. Besonders Geräte
mit großem Datenaufkommen wie z. B. Analog-Digital-Wandler werden wegen der schnellen Datenübertragung oft als VME Geräte ausgeführt. Es existieren jedoch auch viele Komponenten wie Hochspannungsversorgungen mit geringen Datenaufkommen, welche ebenfalls über VME gesteuert werden.
Jedes Modul auf dem VME-Bus lässt sich in der Programmierung durch eine eindeutige Adresse ansprechen. Dabei kann sich sowohl der zu verwendende Übertragungsmodus als auch der Addressbereich
von Modul zu Modul unterscheiden.
Die Kommunikation geht dabei immer von einem VME-Master aus, welcher auf Register eines
VME-Slaves lesend oder schreibend zugreift. Die Funktionen, welche mit den verschiedenen Registern
der Module gesteuert werden, unterscheiden sich stark zwischen den Modulen und müssen den entsprechenden Handbüchern entnommen werden. Lediglich eine kleine Gruppe von Registern (CR/CSR)
wird in den VME Standards einheitlich für Module definiert (Kapitel 2.3.12 in [34], Kapitel 10 in [35]),
welche allerdings nicht unbedingt von allen Herstellern korrekt implementiert werden.
2.5 Flash Analog to Digital Converter (FADC)
Analoge Signale müssen für die Verarbeitung mit Computern in digitale Signale umgewandel werden
(engl. convert, wandeln). Ein FADC zeichnet eine Folge von Momentanwerten (engl. sample, Abtastung, Stichprobe) entweder mit einem extern vorgegebenen Takt auf oder verwendet einen internen
Taktgeber. Der jeweils digitalisierte Messwert wird in einen Speicher geschrieben. Über den VME-Bus
wird nach einem Ereignis der Speicher des Moduls zu einem PC übertragen und von der dortigen Software ausgewertet.
Zur Auslese des Anodensignals kommen bei der Monitorkammer 4-Kanal Flash-ADCs zum Einsatz
(Abb. 2.6, rechts), welche mit 50 MHz bis zu 32k-Messwerte mit einer Auflösung von 8 Bit aufzeichenen [8]. Diese VME Module sind Produkte der Elektronikwerkstatt des 3. Physikalischen Instituts der
RWTH (F. Beißel). Sie können zudem entweder im Start- oder Stoppmodus betrieben werden. Im Startmodus beginnt das Modul nach einem Startsignal Werte in den Speicher zu schreiben und beendet die
Datennahme, wenn der Speicher voll ist. Im Stoppmodus überschreibt das Modul kontinuierlich Werte
im Speicher und beendet die Datennahme bei Erhalt eines Signals. Durch diese beiden Betriebsmodi ist
es möglich den detaillierten Signalverlauf sowohl vor als auch nach einem Ereignis aufzuzeichen.
Dennis Terhorst
27
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
2.6 Hochspannungsversorgung (HV)
Verschiedene Systeme benötigen eine einstellbare Hochspannung positiver oder negativer Polarität. Das
sind im Folgenden insbesondere die Kammer mit Kathode, Feldstreifen und Micromegas bzw. Anodendraht und die Photomulitiplier. Es wurden zwei verschiedene Systeme verwendet, welche diese
Hochspannungen im Labor zur Verfügung stellen. Beide Systeme verfügen über eine Bregrenzung des
Ausgangsstromes, sowohl in limitierender Form (Imax ) als auch durch eine Schutzabschaltung bei Überschreiten eines zuvor eingestellten Trip-Stromes (engl. trip, Auslöser, Anschlag, Fehler).
2.6.1 CAEN SY127
Dieses System ist eine modular aufgebaute 40-Kanal Hochspannungsversorgung der Firma CAEN. Ein 19”-Gehäuse
bietet Platz für zehn Module mit jeweils vier Kanälen. Es
stehen Module verschiedener Bauformen zur Verfügung,
welche auch gemischt im Grundgerät verwendet werden
können. Im Labor sind beispielsweise folgende Module vorhanden:
• Negativ 6 kV, 200 µA (MOD A432)
• Positiv 6 kV, 200 µA (MOD A432)
Abbildung 2.7: CAEN SY127, Hochspan-
nungsversorgung
• Negativ 4/3 kV, 2/3 mA (MOD A333)
Die Steuerung diese Systems erfolgt über eine R232Schnittstelle, welche ein VT52 kompatibles Terminal3 ansteuern kann. Diese Schnittstelle wird allerdings zur einfacheren Benutzbarkeit an einen PC angeschlossen auf dem ein solches Terminal emuliert
wird.
2.6.2 iSeg VHS4060n
Die Firma iSeg Spezialelektronik bietet Hochspannungsversorgungen für den VME-Bus in vielen Varianten an. Das verwendete Modul VHS4060n (Abb. 2.6, Mitte) stellt vier Kanäle mit jeweils bis zu
−6 kV, 1 mA negativer Hochspannung bereit, die ausschließlich über VME angesteuert und überwacht
werden.
Für die Versorgung der Silizium-Photomultiplier ist der Kauf eines weiteren iSeg Moduls vorgesehen, welches die ungefähr 70 V Betriebsspannung liefern soll. (Bis dahin wird ein separates handgeregeltes Netzteil verwendet.)
2.7 MVME3100 – Single Board Computer
Dieser auf einer PowerPC Architektur basierende Computer
(SBC, engl. single board computer) ist als VME-Gerät eine
Schlüsselstelle für die Datenauslese. Sowohl die FADCs als
auch die iSeg-HV werden von diesem PC aus gesteuert, der
mit einer zusätzlichen 200 GB Festplatte ausgestattet wurde
(Abb. 2.6, rechts). Zur Einbindung in die Laborstrukturen
ist das Board über eine Netzwerkschnittstelle an das Labornetz angeschlossen.
Der direkte Zugriff auf den VME-Bus über eine Tundra TSI 148 PCI-to-VME-Bridge (auf dem SBC) bietet bessere Kontrolle und schnellere Zugriffe als eine Lösung mit
einem USB-Interface wie dem Wiener VM-USB. Prinzipi- Abbildung 2.8: MVME3100. PowerPC
ell ist das Auslesen aller Geräte aber auch mit dem USB- basiertes Prozessor-Board
Interface möglich, mehr dazu im Kapitel 2.11.1.
3 VT52 (Vorgänger des VT100) ist ein Standard früher benutzter Hardware-Terminals; im Prinzip eine Kombination aus Bildschirm und Tastatur.
28
RWTH Aachen
2.8. WIENER VM-USB – USB ZU VME INTERFACE
Abbildung 2.9: VME Crate mit (v. l.) Wiener VM-USB, CAEN v965 QDC, CAEN v775N TDC (und
vier RWTH VFADC50, schattiert)
2.8 Wiener VM-USB – USB zu VME
Interface
Dieses, in Abbildung 2.9 gezeigte VME-Modul, bietet eine Möglichkeit das VME-Crate über USB zu
steuern. Es werden viele der spezifizierten VME- Übertragungsmodi unterstützt. Zusätzlich zur VMESchnittstelle bietet es noch jeweils zwei NIM-Ein- und -Ausgänge, die mit unterschiedlichen vordefinierten Funktionen belegt werden können.
2.9 CAEN v965 – Charge Sensing ADC
Der CAEN v965 QDC (Abb. 2.9)integriert eine Ladungsmenge über eine Zeit, die über ein Gate-Signal
definiert wird. Der CAEN v965 ist ein 16-Kanal QDC mit einem gemeinsamen Gate-Eingang. Jeweils
nach einem Gate-Signal werden die an allen Eingängen integrierten Ladungsmengen digitalisiert und in
einem Puffer gespeichert. Über den VME-Bus (VME64x [35]) können dann einzelne Ereignisse oder
der gesamte Speicher ausgelesen werden. Die 12-Bit Digitalisierung wird mit zwei Auflösungen vorgenommen, die Softwareseitig als zwei Kanäle auszulesen sind (high-resolution: 100 pC full-scale, 25 fC
LSB, low-resolution: 900 pC full-scale, 200 fC). Wandlungszeiten ≈ 7 − 8 µs erlauben das Aufzeichnen
von Signalen mit etwa 100 kHz (theoretisch).
2.10 Aufbau
Um die zuvor erwähnten Geräte als Gesamtsystem für Messungen nutzbar zu machen sind die einzelnen
Komponenten durch verschiedene Bussysteme untereinander verbunden. Abbildung 2.10 zeigt einen
schematischen Überblick der Verbindungen, die in vielen Messungen genutzt wurden. Jedes Gerät ist
an einem PC angeschlossen, welcher mit den anderen PCs über das Netzwerk kommunizieren kann.
Die messungsspezifischen Setups nutzen weitere Instrumente und Geräte wie NIM-Module und
Verstärker, welche der Übersicht wegen nicht in der Abbildung dargestellt sind. Die netzwerkfähigen
Komponenten sind:
lx3btpcxy Handelsüblicher PC mit Linux Betriebssystem
ws3btpc01 Handelsüblicher PC mit Windows Betriebssystem
pp3btpc01 Prozessor-Board mit einer PowerPC-Architektur mit direkter Schnittstelle zum VME-Bus
(MVME3100)
Dennis Terhorst
29
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
tek3b02 Tektronics Digital-Oszilloskop (DPO) mit Netzwerkanschluss
2.11 Software
Da bei Messungen mit Driftkammern oft recht lange Wartezeiten zwischen einzelnen Datennahmen auftreten, war eine hinreichend automatisierte Auslese wünschenswert. Damit ist es möglich, eine Messung
z. B. verschiedener Gaszusammensetzungen über Nacht laufen zu lassen, statt manuell nach jeweils einigen Stunden die neue Gaszusammensetzung einzustellen und die Auslese neu zu starten.
Die im Labor verfügbaren Geräte bieten fast alle eine Anschlussmöglichkeit an einen PC, oder
werden sogar ausschließlich davon bedient, daher ist eine vereinheitlichte Schnittstelle wünschenswert,
die alle Zugriffe soweit abstrahiert, dass sich der Benutzer auf die jeweilige Messaufgabe konzentrieren
kann.
Im folgenden werden zwei Programmbibliotheken vorgestellt, welche im Laufe der Diplomarbeit
entwickelt wurden. Erstere, libVME++, dient der Abstraktion der Ansteuerung der Ausleseelektronik.
Zweitere, libsubsystem, macht die Messdaten und Steuerinformationen über das Netzwerk allen
Rechnern im Labor verfügbar. Von beiden Bibliotheken sollen im Folgenden kurz die grundlegenden
Prinzipien und Überlegungen dargestellt werden.
2.11.1 Gerätebibliothek libVME++
Diese ursprünglich für die Steuerung eines VME-Bussystems entwickelte Bibliothek umfasst mittlerweile viele weitere Schnittstellen und Geräte, die alle mit dem selben Konzept steuerbar sind.
Konzept
Prinzipiell haben alle Problemstellungen der Hardwareansteuerung und Sensorauslese ähnliche Voraussetzungen: Auf einem PC soll ein Steuerprogramm geschrieben werden, welches über eine definierte
Schnittstelle (engl. interface) ein Gerät bedient. Sobald mehrere Geräte über die selbe Schnittstelle angesprochen werden können, ist es sinnvoll die Schnittstelle separat zu definieren und den Quellcode
nicht für jedes Gerät neu zu schreiben. In einem einfachen Beispiel wäre dies etwa der Fall, wenn man
über ein USB-Interface zum VME-Bus mehrere Geräte auf dem Bus steuern möchte.
Ein weiterer Schritt ist die Abstraktion des Schnittstellencodes, welche es ermöglicht die selben
Geräte auf dem Bus auch mit verschiedenen Schnittstellen anzusprechen. So wird auch bei einer sehr
heterogenen Gerätekonfigurationen im Labor kaum Quellcode doppelt geschrieben, was sehr große Vorteile bei der Wartung und Fehlersuche bringt. Beispielsweise kann auch eine Einsteckkarte im PC für
die Kommunikation mit dem VME-Bus eingesetzt werden mit der die selben Geräte ausgelesen werden
sollen, wie zuvor über die USB-Schnittstelle.
Ebenso wie die Abstraktion der Schnittstelle viele Vorteile bringt, bietet auch die Abstraktion der
Module viele interessante Möglichkeiten. Zum Einen kann gemeinsamer Code an einer definierten Stelle
gesammelt werden, zum Anderen bietet das Ableiten aller Geräteklassen von einer gemeinsamen Klasse
die Möglichkeit Zeiger auf beliebige Geräteinstanzen in einer Liste vorzuhalten.
Insgesamt bilded der Quellcode die vorhandene Hardware jeweils mit einer Definitions- und einer
Funktionsklasse ab. Für eine gegebene Hardware-Schittstelle existiert also eine Klasse, die die Eigenschaften und Funktionen dieses Typs von Schnittstelle beschreibt (* interface) und eine Klasse, die
diese Funktionen in entsprechende Hardwarebefehle umsetzt.
Um einen kleinen Überblick zu geben sind in folgender (unvollständigen) Liste die Klassen der
Bibliothek für die VME Hardware aufgeführt.
vme interface definiert die Eigenschaften und Funktionen, die jede Schnittstelle zu einem VME-Bus
bereitstellen muss. Davon abgeleitet sind folgende Klassen, die jeweils weitere Funktionen zur
Verfügung stellen können:
vm usb Ein USB-Interface um das VME-Crate über USB von einem PC aus zu steuern. Es gibt
zusätzlich zwei NIM Ausgänge und zwei NIM Eingänge, die relativ frei benutzt werden
können.
30
RWTH Aachen
2.11. SOFTWARE
GC
USB
ws3btpc01
lx3btpc04
VFADC50
RS232
tek3b01
THPC
Temp
Temp 2
Druck Buffer
Druck Umgebung
VME
iSeg HV
CAEN SY127 HV
pp3btpc01
Ethernet 100mbit/s
lx3btpc01
RS232
lx3btpc03
Flowbus
1
el−Press
Relaisboard
el−Flow
Abbildung 2.10: Datennahmesystem im Labor. Eingezeichnet sind nur die relevanten Datenverbindungen, nicht eingezeichnet sind u. A. CAMAC und NIM Crates
Dennis Terhorst
31
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
mvme3100 Ein SBC (Single Board Computer) welcher direkt auf dem VME-Bus steckt. Dieser
PC spricht den VME-Bus direkt über eine PCI-zu-VME Bridge an.
vme module ist die Klasse von der alle Geräteklassen von VME Geräten abgeleitet werden.
VFADC50 Ein Flash ADC mit einer Digitalisierungsrate von 50 MHz, wird genutzt um Pulsformen aufzuzeichnen.
iSeg VHS4060N Eine Hochspannungsversorgung, die ausschließlich über VME gesteuert und
überwacht wird.
Beispiel Die Stärken dieses Konzeptes verdeutlicht ein einfaches Beispiel zur Auslese eines Temperatursensors in einer iSeg Hochspannungsversorgung:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
# i n c l u d e <vme / mvme3100 . h>
# i n c l u d e <vme / iSeg VHS4060N . h>
i n t main ( v o i d ) {
/ / E r s t e l l e n der Objekte
mvme3100 myMVME( ” / dev / vme m0 ” ) ;
v m e i n t e r f a c e ∗ vmebus = &myMVME;
iSeg VHS4060N myhv ( vmebus , 0 x4000 ) ;
/ / B e n u t z e n d e r O b j e k t e im w e i t e r e n Code ohne K e n n t n i s e
/ / der e i g e n t l i c h e n Anbindungen
p r i n t f ( ” The T e m p e r a t u r e i s %f degC \ n ” , myhv . g e t T e m p e r a t u r e ( ) ) ;
return 0;
}
Die include Zeilen binden die benötigten Klassen ein, welche dann in Zeile 6 und 8 instanziert werden.
Der entscheidende Schritt ist nun die Abstraktion des Interfaces in Zeile 7. Durch die Anbindung des
myhv Objektes an den Zeiger auf das vme interface, statt direkt auf das Interface-Objekt myMVME
zuzugreifen, kann der Aufbau leicht geändert werden, ohne dass im weiteren Quelltext Änderungen
vorgenommen werden müssen.
Wird im Laufe des Experiments klar, dass eine andere Schnittstelle vorteilhafter wäre, sind nur
wenige Zeilen am Anfang des Programms zu ändern. Um das Programm an den geänderten Aufbau
anzupassen müssen die include-Zeilen und die Instanzierungen der Objekte ausgetauscht werden:
1 # i n c l u d e <vme / vm usb . h>
/ / neues I n t e r f a c e einbinden
2 # i n c l u d e <vme / iSeg VHS4060N . h>
...
5
/ / E r s t e l l e n der Objekte
6
vm usb myVMUSB ( ) ;
/ / anderes Objekt ins t an z ier en
7
v m e i n t e r f a c e ∗ vmebus = &myVMUSB ;
8
iSeg VHS4060N myhv ( vmebus , 0 x4000 ) ;
...
Bis auf diese Änderungen bleibt das gesamte Programm ungeändert und kann sofort im neuen Aufbau verwendet werden. Es ist gut zu erkennen, dass die eine Änderung im Aufbau prinzipiell nur die
Änderung sehr weniger Zeilen (1,6 & 7) bedarf. Der Aufbau ist vom Rest des Programms vollkommen
entkoppelt, was sich gerade bei komplizierteren Messanordnungen und komplexeren Steuerprogrammen
als sehr vorteilhaft herausstellt.
Mehrfachvererbung In komplexeren Laborumgebungen kommt es durchaus vor, dass es auch zwischen verschiedenen Systemen Schnittstellen gibt, die ursprünglich separat jeweils von einem PC gesteuert wurden. Die Einbindung solcher Schnittstellen wird in der Bibliothek mit dem Konzept der
Mehrfachvererbung realisiert.
Als konkretes Beispiel sei hier das VME-CPI Modul genannt, welches die Steuerung eines CAMACCrates vom VME-Bus aus ermöglicht. Ein solche Modul ist sowohl ein vme module als auch ein
cp interface und muss daher von beiden Funktionsklassen abgeleitet werden.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass diese hier beschriebene Struktur der Bibliothek nicht symmetrisch, sondern gerichtet ist. Jede Verbindung von Bussen und Geräten hat genau eine Richtung zum
Steuerprogramm. Also ist etwa eine Verbindung eines CAMAC-Crates mit einem VME-Crate auf zwei
verschiedene Weisen möglich: Entweder wird das CAMAC-Crate über das VME-Crate gesteuert, oder
das CAMAC-Crate steuert das VME-Crate. Zweiteres ist zwar technisch wenig interessant, aber mit
32
RWTH Aachen
2.11. SOFTWARE
anderen Schnittstellen durchaus denkbar. In diesem Beispiel gäbe es in der Software zwei verschiedene
Klassen für die Verbindung:
c l a s s v m e c p i : p u b l i c vme module , p u b l i c c p i n t e r f a c e ;
c l a s s c p i v m e : p u b l i c c p mo d u l e , p u b l i c v m e i n t e r f a c e ;
Liegt das Steuerprogramm auf der Seite des VME-Crates und liest ein CAMAC Gerät aus, so wäre die
Klasse vme cpi zu verwenden.
2.11.2 Netzwerkbibliothek libsubsystem
Dieses Kapitel stellt zunächst kurz das Konzept und den prinzipiellen Aufbau der libsubsystemBibliothek vor und gibt dann einen groben Überblick einzelner Teilprogramme. Die Anwendung dieser
Bibliothek für das konkrete Projekt wird dann in den späteren Kapiteln (5.2.2) beschrieben.
Motivation
In heutigen computerisierten Laborumgebungen findet man häufig Systeme und Messinstrumente, die
über einen PC ausgelesen und/oder gesteuert werden. Dies macht die Datennahme und die Organisation
der Daten recht komplex. Daten fallen an verschiedenen Stellen in unterschiedlichen Geschwindigkeiten
an, und müssen bisher oft manuell gesammelt werden um Korrelationen zwischen ihnen zu analysieren.
Auf der einen Seite ist heutzutage jeder Computer mit einer Netzwerk-Schnittstelle versehen, welche
Zugriff auf ein IP-basiertes Netzwerk bietet und für den Datentransport zwischen PC genutzt werden
kann. Auf der anderen Seite bieten viele Mess- und Steuerinstrumente eine PC-Schnittstelle mit einer
Datenausgabe in A-Dateien oder in der Standardausgabe.
In der vorliegenden Umgebung findet man im allgemeinen Sensoren (Quellen von Daten), Kontrollprogramme und Kontrollgeräte ( Datensenken“). A priori ist die endgültige Struktur von Quellen
”
und Senken unbekannt und es kann recht aufwändig werden, wenn eine ganze Reihe von Programmen
geändert werden muss, weil eine neue Idee ausprobiert werden soll, für die andere spezifische Daten
benötigt werden.
Die Subserver-Software hilft bei der Aggregation und Steuerung der Datenflüsse zwischen mehreren
PCs. Es werden von der Bibliothek verschiedene Rechnerarchitekturen (x86, ppc) unterstützt, auf denen
ein Linux Betriebssystem installiert ist. Für einzelne Teile, wie den sclient, existieren sogar schon
Übersetzungen for Windows.
Konzept
Die Standard-Linux-Tools stellen bereits viele mächtige Filter, Editoren and Scriptsprachen zur Verfügung, welche alle zusammen benutzt werden können. Als Schnittstelle dient oft das sogenannte pipen“
”
(von engl. pipe, Rohr, Leitung) der Ausgabe eines Programms zur Eingabe des nächsten Programmes.
c a t some . d a t a | g r e p ”PEAK” > f i l t e r e d . d a t a
Neben den Befehlen grep(1), cut(1), sed(1), awk(1) und der bash(1) (siehe dazugehörige man pages4 )
werden oft eigene kleine Skripte oder C/C++ Programme zur Datenanalyse eingesetzt. Hierzu zählt
auch die ROOT Bibliothek des CERN, eine in der Hochenergiephysik vielgenutzte Software zur Analyse und Visualisierung von Daten (siehe http://root.cern.ch). All diese Befehle und Programmiersprachen bedienen sich des Linux/Unix Dateisystems und der Standard Ein- und Ausgabe, was genau
die Schnittstelle ist, an der die subserver clients einhaken.
Das Abonnement-Modell (engl. Subscription Model)
Dieses Modell, welches die Grundlage der libsubsystem-Bibliothek darstellt, basiert auf den beiden
folgenden Überlegungen:
1. Es sei ein willkürlicher Sensor gegeben. Es ist nicht von vornherein klar, welche Programme die
Daten benötigen werden, oder wo im Netzwerk diese Programme laufen werden. – Im Gegensatz
dazu ist genau bekannt, wo der Sensor angebracht ist, und was die Messdaten bedeuten.
4 Hilfe und Beschreibungsseiten zu Befehlen, man“ ist der Befehl zum Anzeigen der Seiten und ist daher ein feststehender
”
Begriff
Dennis Terhorst
33
KAPITEL 2. LABORUMGEBUNG
2. Es sei ein willkürliches Kontroll oder Steuerprogramm gegeben. Es ist nicht von vornherein klar
wie und wo die Sensoren an das System angeschlossen werden. – Im Gegensatz dazu ist genau
bekannt welche Messwerte für die Steuerung oder Analyse benötigt werden.
Dies führt zu dem Abonnement-Modell: Jeder Sensor reicht seine Daten bei einem Server ein, versehen
mit einem sinnvollen Namen (Abonnement-Name). Ein Sensor könnte etwa den Umgebungsdruck messen und diese als /ambient/pressure“ zur Verfügung stellen, ein anderer misst etwa die Temperatur und
”
Luftfeuchte und sendet diese als /ambient/temperature“ und /ambient/humidity“ zum Server. Viele
”
”
andere Instrumente stellen auf ähnliche Weise ihre Messwerte ins System ein.
Wenn man nun die Daten analysieren will, ist es nicht mehr von Belang, wo (d. h. an welchem PC)
die Daten aufgezeichnet wurden, oder über welche Schnittstellen der Sensor angesprochen wird, sondern wichtig ist einzig die Bedeutung der Daten. Diese sollte sich im Abonnement-Namen entsprechend
wiederspiegeln. Für eine Überwachung des Umgebungsdruckes braucht z. B. nur das Abonnement /am”
bient/pressure“ vom Server abonniert zu werden. Jede neue Information von einem Sensor, der dies
bereitstellt, wird sofort vom Server an alle Programme weitergeleitet, die dieses Abonnement bestellt
haben.
Der Subscription Server (subserver)
Zentrales Element in dieser logischen Netzwerkarchitektur ist der sogenannte Subserver. Alle verfügbaren Abonnement-Namen werden hier zusammen mit Listen der Interessenten“ vorgehalten und die
”
eingehenden Pakete entsprechend weiterverschickt.
Dies scheint zunächst als schwerer Nachteil, da ein Ausfall des Servers alle Verbindungen von angeschlossenen Systemen trennen würde. Einerseits muss an dieser Stelle deutlich darauf hingewiesen
werden, dass diese Bibliothek keineswegs für sicherheitskritsche Anwendungen konzipiert ist, andererseits lässt sich das System problemlos auf mehrere untereinander verbundene Server verteilen. Ein
Ausfall hätte dann nur eine Störung des spezifischen Subsystems, in dem er aufgetreten ist, zur Folge.
Einige zusätzliche Funktionalitäten erwiesen sich im Laborgebrauch als sehr nützlich. So kann ein
eingehendes Datenpaket auf Wunsch mit einem Zeitstempel versehen werden, oder in eine Log-Datei
gespeichert werden. Prinzipiell sollte der Server jedoch keine Änderungen an den Datenpaketen vornehmen.
Von besonderem Nutzen ist die graphische Ausgabe der Netzarchitektur. Da der Server die Verbindungen der einzelnen Teilsysteme kennt, ist es an dieser Stelle leicht, eine Karte der Datenströme zu
erstellen und so eine Übersicht und eine einfache Dokumentation der Programmteile zu erhalten. Als
Beispiel sei hier auf die Bescheibung der Driftgeschwindigkeitsmessung Kap. 5.2.2, Abb. 5.10 verwiesen.
Ziele
Die Subserver-Architektur ist nicht dafür bestimmt ein Datennahmesystem mit maximalem Datendurchsatz zu werden, sondern eine einfach zu bedienende, nützliche Laborumgebung zu schaffen. Besonders
folgende Punkte müssen dabei explizit erwähnt werden:
• Die vorgesehene Zeitauflösung liegt im Bereich einer Sekunde, sofern die Rechner-Uhren synchronisiert sind. Dies betrifft allerdings nur die vom libsubsystem bereitgestellten Funktionen,
eine deutlich bessere Zeitauflösung kann vermutlich in speziellen Anwendungsfällen erreicht werden. Es liegt dabei in der Verantworung der Nutzer dieses Systems, geeignete Zeitmarken im
Datenbereich der Pakete vorzusehen.
• Das System ist nicht für zuverlässigen Paket-Transport ausgelegt, da es auf Basis von UDP/IP arbeitet ([3], [2]). Die Stabilität wird durch periodisches Senden der Sensorinformationen gewährleistet.
• Es sind bisher keine Sicherheitsfunktionen geplant. Es wird angenommen, dass das Labornetzwerk hinreichend durch Router und Firewalls von öffentlichen Netzen abgeschirmt ist und keine
feindseligen“ Pakete von Rechnern innerhalb des Netzes kommen.
”
34
RWTH Aachen
2.11. SOFTWARE
Prozesse
In vielen Messaufbauten werden immer wieder ähnliche Situationen in der Datenverarbeitung auftreten.
Um diese allgemein zu lösen kann man generische Prozesse verwenden, die nur noch wenig Anpassung
auf das eigentliche Experiment benötigen. Einfache Abonnement-Manipulatoren helfen bei der Vermittelung zwischen verschiedenen Abonnements oder bei der Anpassung von Ausgaben eines Prozesses
auf das Eingabeformat eines Anderen. Zu den generischen Aufgaben zählen:
• Spalten der Datenfelder eines Abonnements in einzelne Pakete mit anderen Abonnement-Namen
• Sammeln verschiedener Abonnements und Zusammenfassen zu einem Paket
• Eine Überwachung der Paket-Raten einzelner Prozesse
• Schreiben der Pakete eines Abonnements auf eine Festplatte in bestimmten Zeitintervallen
Einige dieser Prozesse sind in der aktuellen Software eingebunden. Für die hier beschriebenen Experimente sind jedoch viele Aufgaben noch in experimentspezifischen Prozessen untergebracht und wurden
noch nicht zu eigenständigen Programmen abgespalten.
Dennis Terhorst
35
Kapitel 3
Voruntersuchungen
Im diesem Kapitel werden die Messungen und Untersuchungen beschrieben, welche für das Verständnis
der Sensoren und Geräte der folgenden Kapitle wichtig sind. Zunächst werden die beiden Micromegas,
welche zu Testzwecken zur Verfügung standen, kurz beschrieben. Danach folgt eine Analyse der absoluten Genauigkeit der Bronkhorst el-Press Drucksensoren, welche für die Einstellung des Kammerdrucks
eingesetzt werden.
3.1 1-Pad-Micromegas
Dieses Micromegas hat eine Anode von ungefähr 10 cm × 10 cm Größe. Es ist von guter Qualität und
selbst unter einem Mikroskop sind kaum Staubkörner auf dem Mesh zu finden.
Wird das Micromegas unter geeignetem Winkel zu einer Lichtquelle gehalten, kann man einige
kleine Dellen in der Meshhöhe erkennen (Abb. 3.2 (a)). Eine dieser Dellen führte offensichtlich bereits
des öfteren zu Überschlägen. Abbildung 3.2 (b) zeigt eine Nahaufnahme dieser Region, welche auch
ohne Mikroskop schon sichtbar ist. Das Muster der Dellen deutet an, dass etwas auf das Micromegas
gefallen sein könnte. Die übrigen Regionen des Micromegas zeigten nichts Außergewöhnliches.
3.2 5-Pad-Micromegas
Dieses Micromegas ist auf einer strukturierten Leiterplatte (PCB, engl. printed circuit board) mit sechs Pads aufgebracht: Ein zentrales quadratisches Pad mit einem umgebenden Ring“-Pad und drei rechteckigen Pads ver”
schiedener Größen sind umgeben von einem Massebereich
(Ground-Pad).
Die Kontakte der Pads werden auf dem PCB zum Rand
geführt, welcher nicht vom Mesh überzogen ist. Das Mesh
wird in einem Bereich, der nicht an der Platine befestigt ist,
über einen direkt angelöteten Draht kontaktiert (oben links
in Abbildung 3.3).
3.2.1 Beobachtungen und Erkenntnisse
Die Produktionsqualität dieses Micromegas ist allgemein
deutlich schlechter als die des zuvor beschriebenen 1-PadMicromegas. Die einzelnenen Bemerkungen werden in folgenden Abschnitten getrennt aufgeführt.
36
Abbildung 3.3: Aufsicht auf das 5-Pad-
Micromegas
RWTH Aachen
3.2. 5-PAD-MICROMEGAS
Abbildung 3.1: Aufsicht auf das 1-Pad-Micromegas
(a) Dellen im Mesh des 1-Pad-Micromegas, erkennbar je
(b) Bereich starker Funkenüberschläge auf dem 1-Pad-
nach Beleuchtung
Micromegas im Bereich einer Delle im Mesh.
Abbildung 3.2: Nahaufnahmen des 1-Pad-Micromegas
Dennis Terhorst
37
KAPITEL 3. VORUNTERSUCHUNGEN
Abbildung 3.5: Der Randbereich des 5-Pad-Micromegas zeigt Lichtreflektionen von Knickkanten im
Mesh.
Elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Ground-Pad
und dem Mesh
Eine der wichtigsten unerwarteten Eigenschaften des Micromegas ist, dass das umgebende Ground-Pad einen leitenden Kontakt zum Mesh hat. Dies führt bei jeglicher Hochspannungsversorgung zum sofortigen Abschalten wegen Erreichen der Strombegrenzung (trip). Bei der Arbeit mit diesem Micromegas wurde
daher das Ground-Pad nicht kontaktiert und liegt damit stets auf dem selben Potential wie das Mesh.1
Dennoch soll die Suche nach den Ursachen kurz umrissen werden.
Ausrichtung der Kleberstruktur
Die Mesh und Kleber Struktur ist nicht an den Pads oder dem PCB ausgerichtet. Wie man in Abbildung 3.3 sehen kann, gibt es Regionen in denen das Mesh die Kupferfläche einige Millimeter überragt
und an der Kontaktseite einen Bereich in dem das Kupfer der Leiterplatte unter dem Mesh hervorragt.
Vom Prinzip her sollten diese Überlapps keine Probleme verursachen, auf Grund des Mesh-zu-GroundKontakts sollen aber in den nachstehenden Absätzen einige Bemerkungen dazu gemacht werden.
Abhängig von der Produktionsmethode des Micromegas, kann die Schichtdicke des Klebers Stufen im Mesh
verursachen. Eine normale Leiterplatte ist mit einer 35 µmKupferauflage versehen, welche ungefähr einem Drittel der
Höhe des Mesh über den Pads enspricht. Wie die Abbildung 3.4 zeigt, kann dies eine Variation der Mesh-zuAnoden-Distanz (A) zur Folge haben, abhängig vom Abstand der Kante zur nächsten Reihe Stützsäulen (B). Dennoch ist es leicht ersichtlich, dass dies keinen Kontakt zwi- Abbildung 3.4: Randbereich der Kupferschen dem Mesh und dem Pad herstellt, wobei das Gain auflage des 5-Pad-Micromegas
in dem Bereich und die Trip-Spannung2 deutlich variieren
können.
Der andere Fall, in dem das Mesh über der Kupferebene endet, scheint deutlich problemanfälliger
zu sein (Abb. 3.5). Insbesondere, wenn das Mesh länger ist als die Klebeschicht die es hält, ist eine
Kontaktierung recht wahrscheinlich. Dies könnte an der Seite der Kontakte der Pads der Fall sein. Bisher
wurde jedoch keine andere Lösung gefunden, als das Mesh nach oben zu biegen. Abschneiden des
überstehenden Geflechts führt vermutlich zu Überstehenden Drahtenden welche unkontrolliert aus dem
Kleber herausstehen und das hätte sehr negative Konsequenzen für die Hochspannungsfestigkeit.
1 * In einem Gespräch auf dem Collaboration-Meeting 05/2008 erwähnte Alain Delbart [14], dass dies durchaus gewollt sein
kann, da es sich positiv auf die Signale auswirkt.
2 Maximale einstellbare Spannung, ohne die Schutzabschaltung der Hochspannungsquelle auszulösen
38
RWTH Aachen
3.2. 5-PAD-MICROMEGAS
Knicke im Mesh
Bei geeigneter Beleuchtung sind im Mesh scharfe Knickkanten im Bereich der Kontakte zu erkennen (Abb. 3.5). Einige dieser Kanten könnten bis zum Ground-Pad herunterreichen und so den leitenden Kontakt verursachen.
Diese Möglichkeit könnte man schon mit dem Winkel der Lichtreflektion abschätzen. Die Abbildung 3.6 zeigt
einen Knick im Mesh im Schnitt, mit den entsprechenden
Größen. Für den direkten Knick (A) gilt für Länge L und
Höhe H etwa α = arctan (100 µm/500 µm) ≈ 11o .
Der Winkel der Lichtreflektion wurde allerdings bisher
Abbildung 3.6: Knickkanten im Mesh
nicht gemessen, da sie relativ umständlich und unsicher ist.
Eine direkte Methode die Tiefe des Knicks im Mesh abzuschätzen besteht darin die kleine fokale Tiefe des Mikroskops auszunutzen. Der Fokus wird zunächst
so eingestellt, dass die höchste Stelle des Mesh scharf eingestellt ist. Bewegt man nun das Objektiv,
und somit die Fokusebene, schrittweise um einen konstanten Betrag nach unten und macht jeweils ein
Bild mit einer Kamera, so ist immer ein kleiner Teil des Meshes scharf abgebildet. Abbildung 3.8 zeigt
diese Bilder. Es ist zu erkennen, dass erst deutlich hinter dem Mesh die Leiterbahn auf der Platine in
den Fokus kommt.
Zeichnet man die Positionen des fokussierten Bereichs gegen die Bildnummer auf, so erhält man
das in Abb. 3.7 dargestellte Tiefenprofil. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Entfernung des Meshes
von der Kupferebene im Bereich des Knicks um ungefähr ein Drittel verringert ist, das Mesh aber das
Kupfer nicht berührt.
Substanz auf dem PCB Unter dem Mikroskop wird eine weiße Substanz auf der Leiterplatte sichtbar.
Diese wurde zunächst an den Lötstellen (Abb. 3.9 (a)), später auch unter dem Mesh endeckt. Dies könnte
ebenfalls ein Grund für die leichten Überschläge sein, da das Ground-Pad auf Mesh-Spannung liegt.
Diese unsauberen Bereiche könnten hohe Kriechströme und letztendlich auch Überschläge zur Folge
haben. Abbildung 3.9 (b) zeigt eine Region in der ein schwarzer Fleck in der weißen Substanz genau
durch solche Überschläge entstanden sein könnte.
Das kann versucht werden das Micromegas mir Fluiden zu reinigen, die das Mesh durchdringen,
oder elektrisch durch Wegbrennen“ der Substanz. Beide Möglichkeiten führen zu einem hohen Risiko
”
das Micromegas zu zerstören und wurden daher nicht versucht.
Es bleibt zu sagen, dass nicht abschließend geklärt werden konnte, um was es sich bei diesen Bereichen handelt. Zum Einen könnte es sich um Rückstände vom Ätzen der Platine oder Kleberrückstände
aus dem Herstellungsprozess des Micromegas handeln. Andererseits kann auch eine Reflektion von freiliegenden Faserschichten aus dem Platinenmaterial nicht ausgeschlossen werden. Obwohl sich solche
weißen Bereiche an mehreren Stellen des 5-Pad-Micromegas befinden, besteht kein direkter elektrischer
Kontakt zwischen den Pads.
3.2.2 Messungen
Abbildung 3.10 zeigt die ersten Signale, welche mit dem 5-Pad-Micromegas gemessen wurden. Man
sieht, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR, engl. signal to noise ratio) bei den kleineren Pads
deutlich besser ist (Abbildungen c. und d.). Dies ist darin begründet, dass die Spannung des Mesh, die
mit dem großen zentralen Pad einstellbar ist, deutlich niedriger ist. Vermutlich sind unterschiedliche
Mesh-Höhen auf dem Micromegas dafür verantwortlich, was bei dem großen Pad leichter zu Überschlägen führt.
Mittlerweile ist der Prozess zur Herstellung der Micromegas entsprechend abgeändert worden, um
solche Schwankungen in der Höhe des Mesh zu vermeiden [14]. Das finale Micromegas wird mit dem
neuen Prozess gefertigt, wie auch die Micromegas der T2K-TPC.
Dennis Terhorst
39
KAPITEL 3. VORUNTERSUCHUNGEN
Abbildung 3.7: Mesh Knickabmessungen. (Zahlen am linken Rand sind Bildnummern und haben bis auf
die Äquidistanz keine weitere Bedeutung)
40
RWTH Aachen
3.2. 5-PAD-MICROMEGAS
Abbildung 3.8: Tiefenscan des Knicks im Mesh des 5-Pad-Micromegas. Zwischen den Bildern wurde
jeweils der Fokus um einen konstanten Betrag verstellt.
Dennis Terhorst
41
KAPITEL 3. VORUNTERSUCHUNGEN
(a) Unreine Region um ein Lötauge auf dem 5-Pad-
(b) Weiße Substanz unter dem Mesh mit eingebettetem
Micromegas.
Funkenüberschlagsbereich.
Abbildung 3.9: Verunreinigungen des 5-Pad-Micromegas-PCBs
a) Chan1: Vorverstärkersignal des zentralen Pads, Chan2:
100× verstärktes Signal mit 0,25 µs shaping time, U mesh =
445 V
b) wie a) ohne die 55 Fe-Quelle
c) Chan1: Vorverstärkersignal des mittleren kleinen Pads,
Chan2: 100× verstärktes Signal mit 0,25 µs shaping time,
U mesh = 515 V
d) Chan1: Vorverstärkersignal des kleinsten Pads, Chan2:
100× verstärktes Signal mit 0,25 µs shaping time, U mesh =
515 V
Abbildung 3.10: Mit verschiedenen Pads des 5-Pad-Micromegas gemessene Signale bei Bestrahlung mit
einer 55 Fe-Quelle.
42
RWTH Aachen
3.3. GAS- UND UMGEBUNGSDRUCK, ABSOLUTMESSUNG
Ambient pressure
1025
1020
1015
1010
1005
1000
995
990
985
980
10.12
00:00
BH1 [mbar_abs]
BH2 [mbar_abs]
11.12
00:00
12.12
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
Difference
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
10.12
00:00
BH2-BH1 [mbar]
11.12
00:00
12.12
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
Abbildung 3.11: Umgebungsdruck gemessen über eine Woche. Die Ausschläge am 18.12. 13:00 sind
absichtlich herbeigeführte Temperatureffekte.
3.3 Gas- und Umgebungsdruck, Absolutmessung
Im Labor kamen zwei Bronkhorst el-Press Druckregler zum Einsatz (nachfolgend als BH1“ und BH2“
”
”
bezeichnet), welche an das Flowbus-System angeschlossen wurden.
Da die Gaseigenschaften unter Anderem von der Dichte der Gase abhängen und damit vom Druck,
ist eine Überwachung des absoluten Kammerdrucks notwendig. Um die Messwerte mit dem wirklichen Absolutwert des Umgebungsdruckes zu vergleichen sind einige Überlegungen notwendig, die im
Folgenden beschrieben werden.
Um einen Vergleich zu offiziellen Absolutwerten ziehen zu können, wurden einige Messungen
des Umgebungsdrucks über längere Zeit durchgeführt. Eine Messung begann um etwa 16:00 Uhr am
11. Dez. 2007 und lief kontinuierlich bis zum 20. Dez. 11:00 Uhr, wobei die Messwerte für den Druck
ungefähr alle 15 Sekunden von einem PC ausgelesen wurden. Die Sensoren waren dabei zum Luftdruck
hin offen. Während dieser Zeit wurden zusätzlich einige Temperaturschwankungen durch Öffnen eines
Fensters erzeugt.
Ein Graph der gesamten Messzeit ist in Abb. 3.11 gezeigt. Die beiden el-Press Geräte zeigen einen
ähnlichen Druckwertverlauf mit ungefähr 11 mbar Unterschied an.
3.3.1 Abweichung von offiziellen Werten
Um die absolute Genauigkeit abzuschätzen wurden Referenzwerte von Wetterstationen hinzugezogen.
In der Umgebung des Labors dienten dazu die Messungen der RWTH Wetterstation Auf der Hörn“ [20].
”
Um diese Werte mit denen im Labor vergleichen zu können wird eine Korrektur der Höhe über Normalnull benötigt. Dazu wird zunächst die Höhenlage des Labors benötigt, mit der dann die offiziellen Werte
wie folgt umgerechnet werden können.
Korrektur des atmosphärischen Drucks
Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. Dies kann unterschiedlich berechnet werden. Legt man einen
linearen Temperaturgradienten zugrunde, folgt für die Barometrische Höhenformel
a·h
P(p0 , h) = p0 · 1 −
T0
Dennis Terhorst
! RMg∗ a
(3.1)
43
KAPITEL 3. VORUNTERSUCHUNGEN
mit dem Temperaturverlauf
T = T 0 · (1 − a · (h − h0 )) .
(3.2)
Dabei ist
T Temperatur [K]
a Temperatur Verlauf [K/m]
h Höhe über Normalnull [m]
R∗ Gaskonstante [8,3 · 103 N m/kmol · K]
g0 Gravitationskonstante [9,80665 m/s2]
M Molare Luftmasse [28,9644 g/mol]
Unter normalen Bedingungen kann ein Wert von a = 0,65 K/100 m angenommen werden. Mit
Normalbedingungen P0 = 1013,25 mbar und T 0 = 288,15 K wird Gleichung (3.1) zu
P(h) = 1013.25 · 1 −
0.0065 · h[m]
288,15
!5,225
[hPa].
(3.3)
Höhenlage des Labors
Um den Druckunterschied zur Meereshöhe korrekt berechnen zu können muss die Höhenlage des Labors bekannt sein. Einige Referenzangaben wurden in verschiedenen Quellen gefunden:
212 m ü.N.N. Bauplan Physikzentrum
211,2 m ü.N.N. Laborhöhe nach Landesvermessungsamt (Abb. 3.12, [22])
222 m ü.N.N. Klimamessstation Aachen-Hörn [18]
Das Landesvermessungsamt und der Bauplan Physikzentrum scheinen angemessene Angaben zu
sein, da ein Wert leicht unterhalb der Klimameßstation Aachen-Hörn über die Steigung der Straße abgeschätzt werden kann.
Unter Benutzung der Formel in Gl. (3.3) mit einer Laborhöhe von 212 m, ergibt sich eine Korrektur von +1,1 mbar zu den Messdaten der Klimameßstation Aachen-Hörn. Dies entspricht den Werten,
welche auf der Website der Klimamessstation Aachen-Hörn für einige Gebäude in der Umgebung des
Physikzentrums angegeben sind.
RWTH Messstation Hörn
Daten der RWTH Messstation wurden freundlicherweise zusammen mit anderen Wetterdaten im AFormat zur Verfügung gestellt [31].
Ein Vergleich der Messdaten der el-Press Sensoren ist in Abbildung 3.13 zu sehen. Die beiden
el-Press Sensoren zeigen ähnliche Werte mit einem Unterschied von etwa 11 mbar. Dabei stimmt die
Messung von BH2 gut mit den Messwerten der RWTH Station überein, BH1 zeigt ein konstantes Offset3 . Die Temperatur im unteren Graph von Abb. 3.13 zeigt leichte Andeutungen einer Korrelation der
Abweichung BH1-RWTH, besonders zu Zeiten in denen die Außentemperatur stark schwankt (z. B. ca.
13.12. 12:00, 15.12. 10:00, 16.12. 12:00).
Die Windgeschwindigkeit zeigt, wie auch die anderen Wetterdaten, trotz der großen Fensterfassade
des Labors keinen Effekt auf die Druckmesswerte oder deren Stabilität.
Es ist anzumerken, dass die Messdaten der Wetterstation jeweils Mittelwerte über 15 Minuten sind
und daher deutlich weniger rauschen, als die 15 Sekunden Werte der el-Press Sensoren. Die Mittelung
ist jedoch für den Vergleich der Absolutwerte unerheblich.
3 Additiver
44
Versatz der Messwerte
RWTH Aachen
3.3. GAS- UND UMGEBUNGSDRUCK, ABSOLUTMESSUNG
Abbildung 3.12: Karte
mit Höhenangaben vom Landesvermessungsamt (6 ◦ 02′ 49, 92′′ Ost,
50 ◦ 47′ 00, 65′′ Nord) [22]
3.3.2 Temperatureffekte
Da die Langzeitmessungen des Umgebungsdrucks bei genauerer Betrachtung einige ungewöhnliche
Schwankungen aufweisen, wurde die Vermutung einer Temperaturabhängigkeit untersucht. Eine Messung mit beiden el-Press Sensoren an der selben Stelle in der Nähe eines Fensters wurde mit zwei
Temperatursensoren durchgeführt.
Die Drucksensoren wurden zusammen auf eine Aluminiumschiene montiert (d < 1 cm) und waren
während der Messung zur Raumluft hin offen. Nach dem Öffnen des Fensters wurden beide Sensoren
von der Außenluft umströmt. Dabei wurde die Temperatur in 3-Sekunden-Intervallen von zwei (unkalibrierten) Sensoren aufgezeichnet, von denen einer vor dem Fenster lag, der Andere direkt an den
el-Press Sensoren.
Das Bedingungen außerhalb des Labors waren während der Messung wie folgt [18]:
• Temperatur: −1,1 . . . + 0,8 ◦C (2 m über Grund)
• Luftfeuchtigkeit: 66 . . . 65 %rh (2 m über Grund)
• Wind: 2,7 . . . 3,4 m/s, 67,5 ◦ ENE (10 m über dem Dach = 30 m über Grund)
• Luftdruck: 1008,2 . . . 1008,7 hPa (222 m ü.N.N.)
Die Temperatur im Labor vor der Messung betrug ungefähr 19 ◦ C.
3.3.3 Ergebnisse
Wie aus Abbildung 3.14(a) ersehen werden kann, bestätigt sich eine starke Korrelation der Messwerte
zur Sensortemperatur. Im Bild zeigen die beiden rechten vertikalen Linien das Öffnen und Schließen des
Fensters. Die in dieser Zeit gemessene Abkühlung (Abb. 3.14(b) ) ist für den Sensor im Luftstrom deutlich sprunghafter, da der Wind mit turbolentem Luftstrom kühlt. Das Aufwärmen geschieht hingegen
gleichmäßiger mit annähernd laminarem Luftstrom, bzw. durch Wärmestrahlung aus der Umgebung.
Dennis Terhorst
45
KAPITEL 3. VORUNTERSUCHUNGEN
Ambient pressure
1025
1020
1015
1010
1005
1000
995
990
BH1 [mbar_abs]
BH2 [mbar_abs]
RWTH [mbar_abs]
985
980
10.12
00:00
11.12
00:00
12.12
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
Difference
16
14
12
10
8
6
4
2
0
10.12
00:00
BH1-BH2 [mbar]
BH1-RWTH [mbar]
11.12
00:00
12.12
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
Difference
4
3
2
1
0
-1
-2
10.12
00:00
BH2-RWTH [mbar]
11.12
00:00
12.12
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
16.12
00:00
17.12
00:00
18.12
00:00
19.12
00:00
Outside Weather
10
8
6
4
2
0
RWTH Temp [degC]
-2
-4
RWTH Wind [m/s]
-6
10.12
11.12
12.12
00:00
00:00
00:00
13.12
00:00
14.12
00:00
15.12
00:00
Abbildung 3.13: Luftdruck an der Wetterstation RWTH Hörn im Vergleich mit den el-Press Sensoren im
Labor. Vom 11.12. 06:30 bis 11.12. 12:13 ist versehentlich der Sensor abgesteckt worden, in der Zeit
vom 11.-12.12. wurde der Sensor durch das Ventil aufgeheizt (siehe Text).
46
RWTH Aachen
3.3. GAS- UND UMGEBUNGSDRUCK, ABSOLUTMESSUNG
Ambient pressure (1)
1025
BH1 [mbar_abs]
1024
1023
1022
1021
1020
1019
18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12
11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45
22
20
18
16
14
12
10
Ambient Temperature (1: free air flow)
Ambient pressure (2)
1010
BH2 [mbar_abs]
1009
1008
1007
1006
1005
1004
18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12
11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45
22
20
18
16
14
12
10
8
Difference
-10
-12
-14
-16
-18
BH2-BH1 [mbar]
-20
18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12
11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
T_1 [degC]
18.12
12:00
18.12
12:30
18.12
13:00
18.12
13:30
18.12
14:00
18.12
14:30
Ambient Temperature (2: pressure sensor position)
T_2 [degC]
18.12
12:00
18.12
12:30
18.12
13:00
18.12
13:30
18.12
14:00
18.12
14:30
Difference
T_2 - T_1 [K]
18.12
12:00
18.12
12:30
18.12
13:00
18.12
13:30
18.12
14:00
18.12
14:30
(a) Einfluss einer Temperaturvariation auf die direkt ne-
(b) Temperatur während der Druckmessung, Sensor 1 ist im
beneinander liegenenden Sensoren BH1 und BH2.
Luftstrom vom Fenster, Sensor 2 ist an den el-Press Geräten.
Abbildung 3.14: Druck und Temperaturdaten der el-Press Sensoren. Die beiden rechten vertikalen Linien
zeigen das Öffen und Schließen des Fensters.
Die el-Press Sensoren zeigen eine starke und unterschiedliche Korrelation zur Umgebungstemperatur. Bei Raumtemperatur ensprechen die Messwerte von BH2 den offiziellen Werten der RWTH Messstation innerhalb von ±1 mbar, die Werte von BH1 zeigen ein konstantes Offset von +11 mbar. Beide
Sensoren sind nicht temperaturkompensiert und unterscheiden sich zusätzlich noch im Vorzeichen der
Korrelation. Eine Temperaturdifferenz von ≈ 15 ◦ C führt zu einer Änderung des Druckmesswertes um
≈ 4 mbar.
Die Magnetventile erwärmen sich hinreichend stark um eine solche Temperaturänderung zu bewirken. Die zugehörigen Ventile sollten daher nicht in der Nähe der Sensoren mit wärmeleitenden Halterungen montiert werden, da diese die Messergebnisse erheblich verfälschen können. Gegebenenfalls ist
ein separater Temperatursensor an den el-Press Sensoren für Korrekturrechnungen ratsam.
Dennis Terhorst
47
Kapitel 4
Entwicklung einer
Gas-Monitorkammer
4.1 Design der Driftkammer – Ziele
Zunächst werden in diesem Abschnitt die angestrebten Eigenschaften der Monitorkammer kurz umrissen, danach folgt eine detailliertere Betrachtung der einzelnen Forderungen. Folgende Liste gibt einen
Überblick:
• Gleichzeitige Überwachung der Gasverstärkung (engl. gain) und der Driftgeschwindigkeit.
• Homogenes elektrisches Feld im Bereich von 300 V/cm ([25]).
• Kurze Reaktionszeit durch schnellen Gasaustausch.
• Geringe Verunreinigung des Gases durch Undichtigkeiten, oder ausgasende Materialien.
Um konsistente Daten zu Driftgeschwindigkeit und Gain zu erhalten, soll die Kammer mit einem einzigen Micromegas betrieben werden. Des Weiteren ist der Aufwand, zwei unterschiedliche Kammern zu
entwickeln, ungleich Größer.
Das Driftfeld soll identisch zu dem der T2K-TPC sein. Auch wenn ggf. in der TPC ein niedrigerer
Wert gewählt wird, soll die Monitorkammer trotzdem den Bereich bis 300 V/cm ausmessen, um z. B.
das Plateau der Driftgeschwindigkeit eindeutig zu sehen.
Es sind zwei Betriebsarten der Monitorkammer denkbar: Für einen direkten Vergleich der Driftgeschwindigkeiten zur TPC muss der Fluss durch die Kammer so eingestellt werden, dass der Gasaustausch gleich schnell verläuft (Volumenaustausch/Zeit). Besonders während des Aufbaus ist jedoch der
Betrieb der Monitorkammer zur schnellen Reaktion auf eine Verunreinigung im Gas bei maximalem
Fluss sinnvoll. Hierdurch wird es möglich die TPC frühzeitig zu schließen und den Fehler zu eliminieren. Lange Spülzeiten des Großen TPC-Volumens (3 × 6,2 m3 ) zur Reinigung des Driftgases können
damit ggf. vermieden werden.
Um genaue Daten zu erhalten ist es nötig die Gaszusammensetzung möglichst unverfälscht zu analysieren. Jegliches Leck oder ausgasende Material fügt dem Gas Anteile unbekannter Stoffe zu, die die
Drift- und Gain-Eigenschaften verändern. Dies muss so weit es geht vermieden werden.
Das entwickelte Konstruktionsprinzip ist in der Abbildung 4.1 dargestellt.
Gleichzeitige Messungen
Die Driftzeitmessung und die Gain-Messung teilen sich das Driftgasvolumen, wobei jede Messung an
einer Seite der Kammer durchgeführt wird. Für die Driftgeschwindigkeitsmessung erzeugen die BetaStrahlen zweier Strontium-90 Quellen an genau bekannten Positionen Ionisationsspuren. Das primäre
Elektron wird nach Verlassen der Kammer in einem Szintillations-Detektor1 nachgewiesen, dessen Signal die Startzeit der Driftmessung markiert. Das Auftreffen der Ionisationsspur auf dem Micromegas
1 szintillierendes
48
Material gekoppelt an einen Photomultiplier
RWTH Aachen
4.1. DESIGN DER DRIFTKAMMER – ZIELE
x
y
z
Fe55
Sr90
Sr90
(a) Strahlachsen der radioaktiven Quellen
(b) Schnitt durch das Gasvolumen, Konstruktionsprinzip
Abbildung 4.1: Prinzipieller Aufbau der Monitorkammer
dient als dazugehöriges Stoppsignal. Durch eine Differenzmessung der Driftzeiten der Signale von beiden Quellen werden konstante Beiträge, wie die Reaktionszeiten der Szintillations-Detektoren, Durchgangszeiten der Verstärker, Signallaufzeiten usw., eliminiert.
Die Gain-Messung wird mit Hilfe einer Eisen-55 Quelle vorgenommen. Dabei strahlt die Quelle
durch ein Loch in der Kathode Photonen mit einer Energie von ≈ 6 keV (siehe Anhang A.3) in das
Driftgas, welche wie in Kapitel 1.4.1 beschrieben, Elektronen aus Argon-Atomen ausschlagen.
Feldhomogenität
Würde man nur die Kathode und das Micromegas (Anode) auf die gewünschten elektrischen Potentiale
legen, dann wäre auf Grund des großen Abstands (im Verhältnis zu den Flächen) das Feld dominiert
durch Randeffekte. Die Außenfläche des Driftgasvolumens wird daher mit Leiterbahnen versehen, welche das elektrische Feld im Inneren korrigieren. Zu diesem Zweck werden Kupferstreifen auf der Kammerwand (entlang z = konst.) mit einem Spannungsteiler auf die entsprechenden soll-Potentiale an der
Stelle des Streifens gelegt.
Kurze Reaktionszeit
Die Reaktionszeit der Kammer lässt sich bei einem vorgegebenem Gasfluss von maximal 6 ℓn /h (entspricht 100 ml/min) nur durch die Größe des Gasvolumens anpassen. Um einen schnellen Gasaustausch zu gewährleisten sollte die Kammer möglichst klein sein. Für einen hinreichend vollständigen Gasaustausch muss eine Kammer ungefähr mit dem Zehnfachen ihres Volumens gespült werden [24]. In einer Kammer mit etwa 800 ml Gasvolumen findet mit dem obigen Fluss ein Volumenaustausch in ungefähr 8 Minuten statt. Diese Zeit ist klein genug gegenüber dem Gasaustausch der TPC
(1 Volumen/6 Stunden, [25]), um etwa bei fehlerhafter Gasmischung die TPC zu schließen, jedoch groß
genug um genügend Statistik für die Driftzeit- und Gain-Messung zu sammeln.
Geringe Verunreinigungen
Um die Menge von Verunreinigungen im Driftgas möglichst gering zu halten, sind verschiedene Maßnahmen notwendig. Zunächst sollten die Gase, welche zum Mischen des Driftgases verwendet werden,
möglichst rein sein. Daher werden im Labor Reinstgase verwendet:
Dennis Terhorst
49
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Gas
Reinheit
Argon (Ar)
Tetrafluormethan (CF4 )
Isobutan (iC4 H10 )
Helium (He)
5.3 (99,9993%)
4.5 (99,995%)
3.5 (99,95%)
4.6 (99,996%)
(für den Gaschromatographen)
Neben den Reinheiten der im Labor verwendeten Gase spielt auch die Qualität des Leitungssystems
und die Gasdichtigkeit der Kammer eine wichtige Rolle, um ein Eindringen von Luft, insbesondere Sauerstoff, zu verhindern. Sauerstoff bindet sehr stark Elektronen (engl. attachment, Anhaftung, Bindung),
so dass die Ionisationsspuren nicht mehr (vollständig) am Micromegas ankommen, und damit keine
Messung mehr möglich ist. Aber auch die Anteile andere Gase sollten so gering wie möglich gehalten
werden, da die meisten ebenfalls einen starken Einfluss auf die Driftgaseigenschaften haben.
Zusätzlich zu äußeren Quellen für Verunreinigungen
muss auch auf die innerhalb der Kammer verwendeten Materialen geachtet werden. Viele Materialien geben über die
Zeit Lösungsmittel oder andere chemische Zusatzstoffe ab,
welche das Driftgas verunreinigen würden [12]. Besonders auf Lösungsmittel basierende Kleber geben auch lange Zeit nach dem Aushärten noch Lösungsmitteldämpfe ab
und sollten daher unbedingt vermieden werden. Spezielle
Zweikomponenten-Kleber mit nichtflüchtigen Komponenten können hingegen verwendet werden. Die Firma Polytec PT stellt einen speziellen Epoxid-Kleber her (z. B. EPO- Abbildung 4.2: Kleber mit sehr geringer
TEK 353 ND, Abb. 4.2), der im Laufe dieser Arbeit für Ausgasung
kritische Klebungen mit Kontakt zum Driftgasvolumen verwendet wird.
4.2 Klebetest
Um die Produzierbarkeit des Kammerdesigns zu prüfen und die dabei auftretenden Probleme zu erkennen, wurde zunächst ein Modell angefertigt. Dabei lag besondere Aufmerksamkeit auf der Durchführbarkeit der Klebeschritte und der erreichbaren Stabilität und Präzision der Klebeverbindungen.
4.2.1 Erfahrungen
Kleben der GFK-Struktur auf die Kapton Folie
Ist die GFK-Struktur, wie in (Abb. 4.3 (a)) zu sehen, auf die Feldstreifenfolie aufgeklebt, können die
Stützstrukturen am oberen und unteren Ende entfernt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Kaptonfolie bei den Arbeiten mit dem Fräser nicht beschädigt wird. Die Abbildung zeigt einen leichten
Überlauf des Klebers bei diesem Klebetest, was bei den folgenden Schritten zu großen Problemen führte. Wird in einem Bereich auf dem GFK weniger Kleber aufgetragen, oder bilden sich in Bereichen
Lufteinschlüsse, so erkennt man nach dem Aushärten des Klebers helle Stellen im GFK (oben links in
Abb. 4.3 (a)). Diese sind für die Stabilität und die Feldform kein Problem, da das Feld dadurch weitestgehend unbeeinflusst bleibt. Lediglich im Bereich der Kathode oder Anode kann eine Wölbung der
Feldstreifenfolie einen ungewünschten Kontakt zur Folge haben. Wegen den Schlitzen für die Betastrahler sind Lufteinschlüsse aber unwahrscheinlich.
Falten der Feldstreifen um den POM-Block
In Abbildung 4.3 (b) ist zu erkennen, dass das Kupfer entlang der Fräskante eingerissen und ausgefranst
ist. Eine Bearbeitung des Kaptons mit einem Fräser muss daher vermieden werden. Im Design des
POM-Blocks und der GFK-Strukturen sollte die Dicke der Kaptonfolie berücksichtig werden.
Da beim Knicken des Kaptons die Möglichkeit besteht, dass die Kupferbahnen der Feldstreifen
brechen, wurde versucht, die Radien der Kanten ausreichend groß zu wählen. Es wurden jedoch keine
50
RWTH Aachen
4.2. KLEBETEST
(a) Kapton auf Feldstreifenfolie
(b) Falten um einen Block
(c) Ankleben der Ecken
(d) Kleben der Struktur in Aluminium-Flansche
Abbildung 4.3: Einzelne Schritte des Klebeprinzips der Monitorkammer bei einem vorab durchgeführten
Test
Dennis Terhorst
51
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
gezielten Test zu Biegbarkeit der Streifenfolie durchgeführt, daher wurde bei allen Versuchen darauf
geachtet, unnötige Biegevorgänge zu vermeiden.
Am Rand herausquellender Kleber sollte in jedem Fall vermieden werden, da ansonsten die im
nächsten Schritt angeklebten Ecken nicht mehr passen. Bei dem ersten Klebetest wurde versucht, den
Kleber nachträglich mit einem Fräser zu entfernen, was Beschädiungen der Feldstreifen und des Kaptons
zur Folge hatte.
Fixieren der Kanten
Nach dem Ankleben der Kanten (Abb. 4.3 (c)) sollten die Ecken genau auf die Radien des Blocks und
zwischen die GFK-Platten der beiden Flächen passen. Dazu ist darauf zu achten, dass kein Kleber zwischen den Feldstreifen und dem GFK hervorgequillt. Wenn der Radius nicht exakt passt, läuft Kleber in
Bereiche zwischen den Feldstreifen und der Ecke und füllt diese aus. Kleine Ungenauigkeiten sind daher an dieser Stelle unkritisch, ein Spannen der Feldstreifen könnte jedoch zu Rissen führen und wurde
daher so weit wie möglich vermieden.
Da sich diese Strukturen alle außerhalb der Kaptonfolie befinden, ist kein spezieller Kleber erforderlich. Es kann auf Kleber mit gut bekannten Eigenschaften zurückgegriffen werden, mit denen schon
genug Erfahrungen gesammelt wurden, z. B. Araldite (Härter HV953U+Araldite AW106, entspricht
UHU Endfest 300).
Abschließen der Struktur mit Flanschen
Um ausreichende Stabilität zu gewährleisten wird die Struktur, wie in Abbildung 4.3 (d) zu sehen, in präzise gefräste
a)
b) GFK
Flansche eingeklebt. Diese dienen später zur Aufnahme
Kapton
der Deckel mit Kathode bzw. Micromegas und schließen
damit das Gasvolumen ab. Im ersten Klebetest endet das
Kapton an der selben Stelle wie das GFK (Abb. 4.4 (a)),
in der finalen Kammer soll es den Aluflansch überlappen
(Abb. 4.4 (b)).
Flansch
Da die Flansche während des Betriebs der Kammer aus
Sicherheitsgründen auf Erdpotential liegen, muss darauf geAbbildung 4.4: a) Kapton endet am GFK,
achtet werden, dass der Abstand der Feldstreifen zu ihnen
b) Kapton überlappt den Flansch
hinreichend groß gewählt ist.
4.2.2 Übersicht der Konstruktionsschritte
Die in diesem Kapitel beschriebenen Erfahrungen bei den verschiedenen Produktionsschritten wurden
bei dem Bau des Prototyps nach dem selben Verfahren berücksichtigt.
Es zeigte sich, dass der Kleber wie vorhergesehen in die freien Bereiche der Ecken läuft und damit
Ungenauigkeiten in den Radien ausgleicht. Das Herausführen der Kaptonfolie ist besonders im Bereich der Flansche problematisch, weil das Kapton nicht flächig auf den Flansch geklebt werden kann.
Außerhalb des Driftvolumens liegen die Anschlüsse der Kaptonfolie teilweise sehr dicht an den Flanschen. Darüber hinaus gab es keine Probleme, die auf die schlechten Klebeeigneschaften von Kapton
zurückzuführen wären. Die Stabilität der 2 mm-GFK-Platten ist ausreichend und die Verklebung mit
PVC unproblematisch.
4.3 Design des Micromegas
4.3.1 Anforderungen
Um möglichst vergleichbare Messergebnisse wie in der TPC zu bekommen, muss das Micromegas für
die Monitorkammer mit dem selben Prozess hergestellt werden, wie die Micromegas der TPC-Auslese.
Auf Grund der kleineren Abmessungen der Monitorkammer und der unterschiedlichen Zielsetzung
wurde jedoch die Platine (engl. printed circuit board (PCB)) angepasst. Das Design der Pads2 (engl.
2 Leiterfläche
52
auf einer Platine, normalerweise benutzt um ein Bauteil darauf anzulöten
RWTH Aachen
4.3. DESIGN DES MICROMEGAS
pad, Belag, Feld, Plättchen, Lötauge) auf dem Micromegas muss darauf ausgelegt sein, die Driftzeitund Gain-Messung simultan durchführen zu können, dazu sind also mindestens zwei Pads notwendig.
Zusätzlich ist es von Vorteil, für die ersten Versuche Variationsmöglichkeiten z. B. in der Pad-Größe
und Position zu haben, um das Optimum für die Auslese finden zu können. Ein weiterer Schritt könnte
darin bestehen, weitere Pads für andere Zwecke zu nutzen, wie etwa ein Veto-Pad zur Verbesserung der
Gain-Messung.
Gain-Messung
Für die Messung der Gasverstärkung eignet sich ein großes Pad, um möglichst alle Elektronen aufzusammeln. Ein kleines Pad würde viele Ladungswolken nur zum Teil aufnehmen, da sie über den
Rand des Pads hinausgehen. Bei einem zu großen Pad führt die große Kapazität allerdings zu einer
schlechteren Ladungsauflösung bei geringen Gasverstärkungen, da die Signalamplitude mit steigender
Kapazität und konstanter Ladungsmenge abnimmt. Offensichtlich muss hier der richtige Kompromiss
gefunden werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
Eine weitere Verbesserung der Ladungsauflösung kann man mit einem Veto-Pad erreichen. Wird die
Ladungswolke eines Ereignisses auf den Rand des für die Messung verwendeten Pads projiziert, so geht
nur der Teil der Ladung in die Messung ein, welcher noch auf das Pad gelangt. Ein solches Ereignis
würde dann wegen der kleineren Ladungsmenge zu scheinbar geringerem Gain führen. Zeichnet man
jedoch die Signale der/des umliegenden Pads mit auf und verwirft Ereignisse, welche eine Ladungsdeposition auf diesen äußeren Pads (Veto-Pad) haben, so ist bei allen übrigen Ereignissen die Ladung
vollständig auf dem zentralen Pad konzentriert.
Driftzeit-Messung
Für eine gute Driftzeitmessung ist ein Veto-Pad, wie für die Gain-Messung, nicht erforderlich, da es
ausschließlich auf die Zeitpunkte ankommt zu denen die Ladungen auf die Pads treffen, nicht jedoch
auf die Ladungsmengen. Trotzdem ist es auch hier sinnvoll einige Variationsmöglichkeiten einzuplanen.
Zum Einen ist die Größe des Pads für eine optimale Messung unbekannt, zum Anderen kann man durch
verschiedene Positionen der Auslese ein Optimum bezüglich der Strahlaufweitung und Randeffekten
der Kammer finden.
Produktionsparameter
Für die Produktion des Micromegas müssen noch einige Punkte beachtet werden. In einer e-Mail fasste
Rui De Oliveira [30] die Anforderungen an die Platine wie folgt in einer Liste zusammen:
1. Das PCB sollte noch nicht auf die Endmaße geschnitten sein, sondern einen Rand von 3 − 4 cm
haben.
2. Es müssen 3 bis 4 Löcher von 4 mm Durchmesser in der ungenutzten Region liegen, welche auch
in der CAD-Zeichnung angegeben sein müssen.
3. Das PCB muss gasdicht sein, insbesondere müssen Durchkontaktierungen nach Möglichkeit als
blind vias ausgeführt werden (im Folgenden erklärt).
4. Die Leiteroberfläche muss vergoldet sein (Ni+Au).
5. Die Leiterbahndicke sollte geringer als 35 µm sein.
6. Das PCB sollte so flach wie möglich sein (Biegung maximal 0,5% der Diagonalen).
Das im Folgenden beschriebene Design wurde unter Berücksichtigung dieser Produktionsparameter und
der gestellten Anforderungen entwickelt.
Dennis Terhorst
53
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Sr90
Fe55
Fe55
Signal−Pad
Fe55
Veto−Pad
Sr90
Sr90
Signal−Pad
(a) Verschiedene Pad-Konfigurationen für die Gain-
(b) Unterschiedliche Messbereiche für die Messung der
Messung. Eingezeichnet ist das ungefähre Kerngebiet der
Spuren der 55 Fe-Quelle
Driftzeiten. Die Spuren der Strontium-Elektronen verlaufen quer über das Micromegas
Abbildung 4.6: Beispiele verschiedener Konfigurationen der Sensorfläche des Micromegas
4.3.2 Angestrebtes Design
Um den Produktionsparametern zu genügen und genügend Flexibilität für eine Optimierung der Messungen zu bieten, wurde das Layout entwickelt, welches in den Abbildungen 4.7 und 4.8 zu sehen ist.
Zunächst geben die Abmessungen des Feldkäfigs von 90 mm × 40 mm mit einem Eckradius von
10 mm die Grundlage für die äußeren Abmessungen. Da das Micromegas entnehmbar sein soll und
außerdem der Gasfluss zwischen Feldstreifen und Micromegas hindurchgehen soll, wurde ein Spalt
von 1 mm am Rand eingeplant. Die Abmessungen des finalen Micromegas sind klein genug, um die
Leiterplatte als normale Europakarte (Standardformat 100 mm × 160 mm) fertigen zu lassen. Dies ist im
Gegensatz zu einer Spezialanfertigung vorteilhaft für Produktionskosten und -zeit.
Die Leiterplatte sollte als Multilayer-PCB3 ausgeführt
werden, so dass eine Adapterebene die Anpassung der Leiterbahnen für einen Stecker auf der Rückseite ermöglicht.
Die Durchkontaktierungen (VIA, engl. Vertical Interconnect Access, Abb. 4.5) der Ebenen wurde ausschließlich
mit blind vias vorgesehen, da dieses Design von vornherein
gasdicht ist. Bei direkten Durchkontaktierungen (through
hole) wäre dies erst durch aufwendiges Schließen der Abbildung
4.5:
Via-Typen:
1)
Löcher zu erreichen, was wahrscheinlich viele zusätzliche Durchkontaktierungs-Bohrung,
engl.
Probleme verursachen würde (z. B. der Kleber gast aus oder through hole, 2) Kontaktierung einer
ist nicht alterungsbeständig, bereitet Probleme beim Lami- Mittellage, engl. blind via, 3) Ver”
nieren des Micromegas oder im Ätzbad . . . ).
grabene“ Kontaktierung, engl. buried
Die Strukturierung der Leiterflächen und damit der elek- via
trischen Eigenschaften des Micromegas ist in Abbildung 4.7
gezeigt. Für die Sicherung des Randes des Micromegas vor
Überschlägen und zur Kontaktierung des Meshes ist die eigentliche Sensorfläche mit einem Rand umgeben. Wäre die Außenkante des Micromegas auf einem anderen Potential als das Mesh, könnten sich
Überschläge von Spitzen des Mesh-Randes zum Pad, oder vom Pad zu einem Feldstreifen ergeben. Die
Kontaktierung zwischen dem Rand-Pad und dem Mesh wird über einen Lötpunkt am Rand realisiert.
Dabei wurde die Stelle für den Lötpunkt thermisch vom Ring isoliert, da das sichere Kontaktieren bei
Leiterflächen mit großer Wärmekapazität schwierig ist. Die drei Leiterbahnen vom Kontaktpad zum
Ring bieten aber weiterhin einen sicheren Kontakt, auch wenn die äußerste Leiterbahn beim Ausfräsen
des Micromegas beschädigt wird.
Mit einem Millimeter Abstand zur Randfläche ist ein weiterer Ring“ um die eigentliche Sensor”
fläche gezogen. Dieser kann zum Einen dafür verwendet werden im Außenbereich der Pads ein eigenes
Potential anzulegen (Ground oder Mesh-Potential), oder kann als Veto-Pad benutzt werden. Um die
Schaltung als Veto-Pad getrennt für die beiden Messungen wählen zu können ist der innere Ring in
zwei Hälften getrennt, welche jeweils einen Messbereich umgeben.
Die übrige Fläche ist mit quadratischen Pads im Raster von 5 mm belegt. Diese können im Stecker auf der Rückseite dann zu größeren Pads verbunden werden, um verschiedene Anordnungen und
Padgrößen zu erhalten.
Für die Gain-Messung erlaubt dieses Design eine Anpassung der Größe und Lage des Pads zur
1
3 Leiterplatte
54
2
3
mit mehreren Leiterebenen
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Signalmessung und ggf. des Veto-Rings (Abb. 4.6 (a)). Zusätzlich besteht durch die Trennung des inneren Ringes in zwei Halbringe, die Möglichkeit den, die Pad-Fläche umgebenden Ring als Veto-Pad zu
nutzen, ohne die Eigenschaften der Driftmessung zu verändern.
Auch im Bereich der Driftzeitmessung erlauben verschiedene Konfigurationen der Pads gegebenenfalls eine gezieltere Untersuchung spezieller Effekte. Zunächst sollte überprüft werden, wie weit der
Randeffekt des Feldes in die Kammer reicht, indem das Signal-Pad weiter am Rand der Kammer oder
weiter in der Mitte definiert wird. Abbildung 4.6 (b) zeigt einige der Möglichkeiten, die von besonderem
Interesse sind, da sowohl die Lage in Bezug auf den Randbereich des Feldes, als auch die Länge und
Breite in Bezug auf den Beta-Strahl variiert werden.
Die Abbildung 4.8 zeigt die geschlossene Kleberfläche, welche das Mesh am Rand hält. Der innere
Bereich muss dabei mit Stützsäulen (engl. resin pillars) versehen werden, die Fläche für die Kontaktierung des Mesh muss hingegen frei bleiben. Eine weitere Eigenschaft des Entwurfs ist, dass keine
Kleberkante parallel über einer Leiterbahnkante liegt, dies könnte sonst im Herstellungsprozess ebenfalls zu Problemen führen [14].
4.4 Bau des Prototyps
4.4.1 Simulation
Um den Effekt von Vielfachstreuung der 90 Sr-Elektronen abschätzen zu können, wurde vor dem Bau des
eigentlichen Prototypen eine Simulation mit G4 von Karim Laihem [21] durchgeführt. Die Ergebnisse in Abbildung 4.9 zeigen eine starke Aufweitung des Elektronenstrahls, welche vorrangig durch
das Kapton verursacht wird. Für die spätere Messung ist diese Aufweitung jedoch von relativ geringer Relevanz, da nur Ereignisse aufgezeichnet werden, bei denen das Elektron auch durch den zweiten
Schlitz zum Szintillator gelangt. So tragen nur relativ gerade Elektronenspuren zur Messung bei. Auf
Grund der starken Aufweitung ist jedoch zu befürchten, dass sich die Driftgeschwindigkeitsmessung
auch auf die Gain-Messung auswirkt, wenn ein vielfach gestreutes Elektron ein Ereignis im Bereich
der Auslesezohne für die 55 Fe-Quelle auslöst. Um dies teilweise zu unterdrücken, wurde die Kammer
entlang der Richtung des 90 Sr-Strahls gekürzt. Statt der ursprünglich angenommenen 10 cm wurde das
Design auf 4 cm Kammerquerschnitt verkleinert.
4.4.2 Kapton Feldstreifenfolie
4.4.3 Feldstreifendesign
Für das Design der Feldstreifenfolie wurde größtenteils auf vorhandene Erfahrungen zurückgegriffen.
Zum Einen wurde auf Grund der Arbeit von Sabine Blatt [10] eine zweiseitige Anordnung der Feldstreifen mit Überlapp angestrebt, da dies das Durchgreifen des umgebenden Ground-Potentials der Abschirmung effektiv verhindert und damit das Feld im Inneren der Kammer deutlich homogener wird.
Zum Anderen wurden für die Hochspannungsfestigkeit wichtige Designparameter von Herrn Beißel [7]
festgelegt.
Es gingen insgesamt folgende Parameter und Bedingungen in die Überlegungen für das Design der
Feldstreifen ein:
• Spannung über jeden Widerstand < 100 V und Leistung < 0,25 W
• Abstand der Feldstreifen > 1 mm
• Kontaktierung nur auf einer Seite der Feldstreifen
• Streifen versetzt auf der Vorder- und Rückseite der Kaptonfolie mit Überlapp in Feldrichtung zur
Verbesserung der Feldrandbereiche
• Maximierung der Streifenanzahl, um ein möglichst homogenes Feld zu erzeugen
• Hochspannungsfestigkeit der Streifen (Kriechströme, Überschläge an Leiterbahnenden)
• Ausfallsicherheit bei Bruch eines Streifens
Dennis Terhorst
55
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Abbildung 4.7: Übersicht des Designs für das finale Micromegas. Eingezeichnet sind das PCB und die
Kupferauflage jeweils mit Bemaßung. (Zeichnung nicht maßstabsgetreu)
56
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Abbildung 4.8: Übersicht des Designs für das finale Micromegas. Eingezeichnet sind das PCB und der
Kleberbereich von dem das Mesh gehalten wird (Zeichnung nicht maßstabsgetreu)
Dennis Terhorst
57
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Abbildung 4.9: G4-Simulation der Vielfachstreuung der 90 Sr-Elektronen in der Kapton-Folie und im
Argon in einer Kammer mit 10 cm × 10 cm Querschnitt [21]
Abbildung 4.10: Kapton Feldstreifenfolie, Innenseite
58
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4.4. BAU DES PROTOTYPS
Abbildung 4.11: GFK-Struktur auf der Kapton-Feldstreifenfolie
HV
Ground
(a) Endbereich der Widerstandskette und Ausrichtung der
(b) Über eine Widerstandskette sind die Streifen von
GFK-Struktur an einer Markierung auf der Kapton-Folie.
Vorder- und Rückseite auf die entsprechenden Potentiale gelegt.
Abbildung 4.12: Details zur Ausrichtung und Schaltung der Kaptonfolie
• Produzierbarkeit mit üblichen Mitteln (z. B. manuelles Aufbringen der SMD-Widerstände)
Abbildung 4.10 zeigt das Ergebnis dieser Überlegungen. Die Streifen sind alle an dem selben Ende kontaktiert, da ansonsten eine Unterbrechung in einem Streifen einen Ausfall des Gesamtsystems,
oder zumindest Funkenüberschläge in einem unzugänglichen Bereich, nach sich ziehen würde. Zudem
sind alle Widerstände auf der selben Seite der Kaptonfolie untergebracht, um das Auflöten der SMDWiderstände von Hand zu ermöglichen.
Die Entscheidung, die Feldstreifen nach außen zu führen und die Widerstandskette nicht innerhalb
der Kammer unterzubringen, wurde getroffen, um bei einem Fehler in einer Kontaktierung, oder Problemen an den Widerständen, leichteren Zugriff zu haben. Außerdem liegt auf diese Weise die von den
Widerständen ausgehende Heizleistung von ungefähr 6 kV·12 µA ≈ 0,1 W (trotz seiner Geringfügigkeit)
außerhalb des Gasvolumens.
Zur einfacheren Ausrichtung der Folie bei der späteren Klebung auf die GFK-Struktur sind auf der
Folie Markierungen aufgebracht, die als Referenzpositionen verwendet werden (S. 60).
Dennis Terhorst
59
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Abbildung 4.14: Kleben der Feldstreifenfolie. Links: Bestreichen des GFKs mit Kleber (Araldit), Mitte:
Detailaufnahme der Teflonbeschichtung, rechts: Kleberschicht im Schlitz.
Die Kaptonfolie mit den gewünschten Kupferbahnen
wurde bei der Firma Würth Elektronik bestellt. Auf eine
50 µm dicke Kaptonschicht sind beidseitig Kupferstrukturen von 35 µm Dicke aufgebracht. Die Feldstreifen jeder
Seite haben eine Breite von 2 mm und einen Abstand von
0,8 mm (d. h. 2,8 mm pitch4 ). Die Vorderseite ist gegen die
Rückseite um den halben Streifenabstand verschoben, so
dass sich die Streifen der beiden Seiten um jeweils 0,6 mm
überlappen. Im jeweils 11. Streifen vom Rand sind Schlitze für die Beta-Strahler ausgespart, da die Kupferschicht
viele Elektronen absorbieren würde (vgl. Anhang A). Abbildung 4.13 zeigt im Detail, wie die Streifen um den
Schlitz herum kontaktiert sind. Die Maße der Schlitze sind
Abbildung 4.13: Detailaufnahme der
1,5 mm × 15 mm.
Schlitze. Oben: Außenseite, unten
Die Beschaltung der Streifen ist eine einfache WiInnenseite der Kammer
derstandskette mit (4,7±1%) MΩ-Widerständen (Abb. 4.12 (b)),
an welcher abwechselnd ein Streifen von der Vorder- und
Rückseite kontaktiert ist. Der minimale Pitch, und damit die minimale Streifenbreite, ergibt sich aus der
Spannungsfestigkeit der verwendeten 2 mm-SMD-Widerstände. Ein kleineres Abstandsraster der Streifen würde dazu führen, dass die Spannung sich außerhalb der Widerstände über Funkenschlag abbaut.
4.4.4 GFK Struktur
Um die Feldstreifen exakt auszurichten wurde eine GFK-Struktur auf einer Fräse gefertigt und aufgeklebt. So kann die Folie mit der Genauigkeit der Fräse (< 100 µm) positioniert werden. Das verwendete
GFK hat eine Dicke von 2 mm um genügend Stabilität zu gewährleisten.
Damit die GFK-Platten exakt parallel ausgerichtet bleiben und damit die Feldstreifen an den Enden
nicht versetzt aufeinander treffen, sind sie aus einem Stück gefertigt. Abbildung 4.11 zeigt die beiden
Platten, welche oben und unten noch durch einen Überstand zusammengehalten werden. Zusätzlich
dienen die Ecken des Überstands als Referenz zur Ausrichtung der Kaptonfolie. Die Markierungen auf
der Folie sollten unter den Kanten des Überstandes liegen (Abb. 4.12 (a)), damit die Schlitze für den
Elektronenstrahl genau über denen der Folie ausgerichtet sind. Für nachfolgende Designs sollte noch
über eine weitere Referenz zur Positionierung entlang der Streifenrichtung nachgedacht werden. Wegen
der deutlich geringeren Genauigkeitsanforderungen in diese Richtung wurde dies bisher vernachlässigt.
Es muss bei der Verteilung des Klebers darauf geachtet werden, dass kein Kleber in die Schlitze
läuft oder nach dem Zusammenfügen der Teile in die Schlitze gedrückt wird. Um große Kleberwülste
sowohl an den Kanten der GFK-Platten, als auch in den Schlitzen zu vermeiden wurde die in Abbildung 4.14 (Mitte) gezeigte Teflonform gefräst, welche genau in die freien Bereiche hineinpasst. Sie
wird während des Klebevorgangs eingesetzt und verhindert so das Ausbilden einer Wulst (nicht jedoch
das Austreten des Klebers). Der Kleberüberschuss, wie er an verschiedenen Stellen auftritt, ist in Abbildung 4.14 (rechts) am Beispiel eines Schlitzes gezeigt. Diese sehr dünnen Kleberschichten haben nur
geringen Einfluss auf die weitere Konstruktion und den Elektronenstrahl.
4 engl.
60
pitch, Teilungsmaß, Abstand.
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Abbildung 4.15: Kern und Ecken der Testkammer
Um nach dem Kleben das Entfernen des GFK-Überstandes zu vereinfachen und sicherzustellen,
dass die Kaptonfolie nicht beschädigt wird, ist das Kapton rückseitig schon etwa zur Hälfte eingefräst.
Auf diese Weise kann zum Trennen des stützenden Überstandes von den GFK-Platten der Fräser mit
genügend Abstand zur Kaptonfolie geführt werden. Eine Beschädigung durch den Fräser oder das Umknicken der Folie wird so vermieden.
Als Referenz für die Quellenhalter und Szintillatoren ist um die Schlitze auf der Außenseite der
Kammer ebenfalls eine Vertiefung von ungefähr einem Millimeter eingefräst. Dort kann ein Halter eingesteckt und damit genau positioniert werden. (Weiteres zum Quellenhalter und den Szintillatoren im
Kapitel 4.4.8, S. 65)
4.4.5 Ecken
Der fertige Kern und die Ecken sind in Abbildung 4.15 gezeigt. Der Kern ist aus Teflon, die Ecken
aus POM (Polyoxymethylen) gefertigt. Die Wahl von Teflon als Kernmaterial ist darin begründet, dass
keiner der benutzten Kleber daran haftet und damit der Kern auch dann noch zu entnehmen ist, wenn
versehentlich Kleber zwischen die Kaptonfolie und den Kern läuft.
Das Fertigen der Ecken aus POM wurde ursprünglich auf Grund der guten Hochspannungsfestigkeit festgelegt. Wegen der schlechten Klebeeigenschaften5 soll jedoch dafür in folgenden Kammern
herkömmliches Material verwendet werden (PVC, GFK, o. Ä.).
4.4.6 Flansche
Um die Kammer gasdicht zu verschließen und trotzdem die Kathode bzw. das Micromegas entnehmen
zu können, ist die Driftkammer an den Enden mit Aluminium-Flanschen versehen. Abbildung 4.16
zeigt die Zeichnung des zunächst symmetrischen Anschlusses mit einer Vertiefung für die Aufnahme
der GFK-Struktur und der Ecken. Die Befestigung der Deckel geschieht über M4-Schrauben, für die in
die 1 cm dicken Flansche Ensat M4“ Einsätze eingepresst sind.
”
Die Gasdichtigkeit wird durch einen Gummiring an der Kammer gesichert, welcher aus einem auf
Maß geschnittenen und zu einem Ring zusammengeklebten Moosgummiband besteht. Zusätzlich wurde dieser mit Vakuumfett eingeschmiert. Die Vertiefung, in die der Ring eingelegt wird, ist in Abbildung 4.16 in den Schnitten A und B als Einkerbung neben den Einsätzen für die M4-Schrauben zu
erkennen.
Die Flansche müssen aus Sicherheitsgründen immer auf Erdpotential liegen, was zusätzlicher Überlegungen zur Isolierung gegen die Streifenfolie (besonders auf der Kathodenseite) bedarf. Der Abstand
der Flansche zur Kathode und dem letzten Feldstreifen wurde mit 2 cm so ausgelegt werden, dass Funkenüberschläge zum Flansch vermieden werden.
An der Innenkante sorgt ein Überlapp des Kaptons an der GFK-Struktur dafür, dass mit einem Spezialkleber die Folie gasdicht direkt an den Flansch geklebt werden kann. So ist das innere Gasvolumen
5 Araldit klebt nicht auf POM. Laut Jens Frangenheim ist Stykalit ein möglicher Kleber für POM, jedoch sind bisher keine
Daten zum Ausgasen bekannt.
Dennis Terhorst
61
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
der Kammer nur mit der Kaptonfolie und den Aluminiumflanschen in direktem Kontakt. Verunreinigungen des Gases können dann nur noch über die am Anoden- und Kathoden-Deckel verbauten Materialien
in die Kammer gelangen.
Die finale Kammer soll ggf. eine Aluminium-Abschirmung umgeben, welche an den Flanschen angeschraubt werden könnte. Dies ist allerdings abhängig von den Platzanforderungen des Triggersystems
(90 Sr-Quellenhalter und Szintillator) und die Möglichkeit wird erst zu einer späteren Phase des Prototyps
abzuschätzen sein.
Anodenflansch
Der Anodenflansch dient, zusätzlich zum Schließen der Kammer, auch als Halter für das Micromegas
und bietet zwei Anschlüsse für die Gasversorgung. Abbildung 4.17 zeigt den Entwurf im Schnitt, mit
Kammer und Lage des Micromegas. Die exakten Dimensionen richten sich nach der Dicke des Micromegas, der Lage der Feldstreifen und den Abmessungen des Gegenstücks an der Kammer. Die Höhe
des Flansches muss so angepasst sein, dass das aufgebrachte Micromegas genau mit dem Mesh auf der
Höhe der Mitte des letzten Feldstreifens liegt. Eine andere Lage würde das Feld im Bereich des Micromegas stark verzerren und damit die Messung verfälschen. Zudem sollte dafür sichergestellt werden,
dass der letzte Feldstreifen auf dem selben Potential wie das Mesh liegt.
Die Gasversorgung der Kammer wird durch die beiden Flansche realisiert, dabei sollte der Gasfluss
von einer Seite der Kammer zur Anderen geleitet werden. Dabei umströmt das Gas das Micromegas aus
der darunterliegenden Rinne, durchsetzt dann möglichst laminar die Kammer und verlässt diese dann
hinter der Kathode.
Um weitere Funktionen zu ermöglichen ist mindestens ein weiterer Gasanschluss notwendig. Daran
kann ein Drucksensor, ohne Einfluss dynamischer Druckschwankungen bei Änderungen des Flusses,
den Kammerdruck bestimmen oder ein Überdruckventil die Kammer gegen Fehlfunktionen in der Gasversorgung absichern. Es ist weiterhin denkbar, dass durch einen SwagelokR -Anschluss ein Temperatursensor in die Kammer eingebracht wird, um auch Messungen der Gastemperatur zu ermöglichen.
Kathodenflansch
Das Design des Kammerdeckels auf der Kathodenseite ist in Abbildung 4.19 zu sehen. An diesem wird
die Kathode befestigt und es ist neben dem Anschluss für die Hochspannung eine Befestigungsmöglichkeit für die 55 Fe-Quelle und ein Gasanschluss vorgesehen.
Die Kathode besteht aus einer 1 mm dicken, beidseitig kupferkaschierten Leiterplatte in die zum
Einen ein Loch für die 55 Fe-Photonen gebohrt ist, zum Anderen sind zwei 0,2 mm Vertiefungen zum
Einkleben von Schraubenköpfen an den entsprechenden Stellen eingefräst. Abbildung 4.18 zeigt dies im
linken Bild bei der Klebung der Schrauben. Zusätzlich ist in die Bohrung eine Folie aus aluminisiertem
Mylar eingeklebt, damit auch hier das Feld nicht durch ein durchgreifendes Ground-Potential verformt
wird.
Da das Kathodenmaterial sich im Gasvolumen befindet muss auch hier auf geringe Ausgasung geachtet werden. Für den Prototypen wurde dennoch eine herkömliche Leiterplatte verwendet, da eine Kathode aus reinem Kupfer sich nicht ohne starke Verformungen in der gewünschten Dicke fertigen lässt.
Um hinreichende Biegefestigkeit einer Cu-Kathode zu gewährleisten sollte diese mindestens 2 mm stark
sein.
Die Kathode wird von zwei POM Blöcken gehalten indem die aufgeklebten Schrauben durch die
POM Blöcke gesteckt und mit Muttern gekontert werden. Die Kontaktierung der Kathode kann einfach
über die Rückseite vorgenommen werden, da die Leiterplatte an zwei Stellen durchkontaktiert wurde.
Im mittleren Bild in Abb. 4.18 sind dies die beiden hellen Punkte in der Mitte der Leiterplatte.
Der Anschluss für die Hochspannung ist als eingeschraubter, gasdichter SHV Stecker realisiert.
Dieser hat herstellerseitig schon einen Gummiring in der Verschraubung integriert und ist im Inneren
mit einer Keramik vergossen.
Der Gasanschluss ist eine 6 mm-SwagelokR -Buchse, die mit einem konischen Gewinde in den Aluflansch geschraubt ist. Teflonband dient dabei als Abdichtung, wie es bei konischen Gewinden üblich
ist.
Um die 55 Fe-Quelle sicher zu platzieren ist sie in einem Aluminiuimblock untergebracht, welcher
einfach von außen an den Flansch geschraubt wird. Auch hier wird die Gasdichtigkeit durch einen im
62
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Abbildung 4.16: Zeichung der Flansche an der Kathoden- und Anodenseite des Feldkäfigs
Dennis Terhorst
63
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Anode Flange (side view A)
10mm
25mm
M4/M5
5mm
M4/M5
M3
~20.5mm
M3
T2K/nd280m Gas Monitor Chamber
Dennis Terhorst
29.05.2008
Abbildung 4.17: Entwurf der Anodenseite der Kammer mit den vorläufigen Maßen und Skizze des Mi-
cromegas
Abbildung 4.18: Schritte des Zusammenbaus des Kathodenflansches
64
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Flansch eingelassenen Gummiring gewährleistet. Die Position der Quelle im Flansch ist direkt hinter
dem Mylar-Fenster in der Kathode, mit dem selben Durchmesser von einem Zentimeter. Dies ist auf die
verfügbaren Quellenformen angepasst.
4.4.7 Fertige Kammer
In Abbildung 4.21 ist der Driftkammer-Prototyp zu sehen. Einfache Test-Flansche mit Gasanschlüssen
ermöglichten Dichtigkeitsmessungen und Lecksuche. Signifikante Gaslecks zeigen sich, wenn die SwagelokR Anschlüsse nicht, wie vorgesehen mit Teflon-Band, eingeschraubt werden, oder das Vakuumfett nicht
gleichmäßig auf den Gummiring aufgetragen ist. Wichtiger ist jedoch, dass die Klebung des POM zum
Flansch an vielen Stellen nicht gasdicht war. Da die Flansche Kontakt zum Gasvolumen haben, wurden
sie mit dem beschriebenen nicht-ausgasenden Epoxid-Kleber angeklebt. Da der Kleber nur ganz in abgepackter Menge zu benutzen ist, wurden beide Flansche in einem einzigen Schritt geklebt. Dies führt
dazu, dass der Kleber an der Oberseite aus dem Spalt läuft. Die kritische Klebung der beiden Enden der
Kaptonfolie und die Verbindung dessen zum Flansch wies keine Messbaren Lecks auf. Beim Bau von
weitern Kammern sollten für das Ankleben der Flansche zwei Klebeschritte eingeplant werden, so dass
der betreffende Flansch bei der Klebung horizontal liegen kann.
Um Messungen mit dem Prototypen zu ermöglichen wurde der Spalt von außen mit Kleber vergossen. Abbildung 4.20 zeigt die Außenseite der Kammer, nachdem der Spalt mit einem anderen Kleber
(EPO 93/L) aufgefüllt wurde. Diese Maßnahme macht die Kammer bis auf Weiteres6 im Rahmen der
Messgenauigkeit gasdicht.
4.4.8 Triggersystem der Driftgeschwindigkeitsmessung
Die Entwicklung eines geeigneten Triggersystems auf Basis eines Szintillationsmaterials, welches mit
Silizium-Photomultipliern ausgelesen wird, basiert großenteils auf den Erfahrungen beim Bau der Gasmonitorkammer des CMS Myonsystems [19].
Szintillatormaterial
Es wird ein szintillierender Lichtleiter (engl. Fiber, Faser) verwendet, welcher an beiden Schlitzen der
Kammer vorbeigeführt wird. Der quadratische Querschnitt von 1 mm×1 mm wird parallel zu den Schlitzen gelegt und an jedem Ende mit einem Silizium-Photomultiplier versehen. Diese Anordnung erlaubt
es, die Signale beider Schlitze jeweils in Koinzidenz zweier Photomultiplier zu messen, um das starke
Rauschen der Photomultiplier möglichst zu unterdrücken.
Die Fiber muss mit möglichst großen Radien geführt werden, um ein Austreten der Photonen zu
vermeiden. Wichig ist außerdem eine komplett lichtdichte Umgebung des Szintillators, da von den Photomultipliern schon einzelne Photonen nachgewiesen werden können. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
wird daher schon bei kleinen Lichtlecks“ so schlecht, dass eine sinnvolle Messung nicht mehr möglich
”
ist.
Silizium-Photomultiplier
Als Photomultiplier kommen die in Kapitel 2.3.2 beschriebenen Silizium-Photomultiplier (Si-PM) der
Firma Hamamatsu zum Einsatz (Multi-Pixel Photon Counter, Mod. S10362-11-100C). Diese basieren
auf einem PN-Halbleiterübergang ähnlich einer Diode, welcher in Sperrrichtung im Bereich der Durchbruchspannung betrieben wird. Trifft ein Photon auf die Schicht, löst es ein Elektron aus, welches im
elektrischen Feld so stark beschleunigt wird, dass es weitere Elektronen ausschlägt. Es bildet sich eine
Lawine mit messbarer Ladungsmenge, die am Ausgang als Spannungsimpuls abgreifbar ist. Um die
Lawine räumlich zu begrenzen und eine Sättigung des Substrats zu verhindern ist die Oberfläche in
viele einzelne Flächen unterteilt (engl. pixel). Dies hat zusätzlich den Effekt, dass das Ausgangssignal
proportional zu der Anzahl der eingehenden Photonen wird, da in der Regel pro Photon genau ein Pixel
auslöst.
6 Separate
Klebetests mit EPO 93/L und POM zeigten, dass auch dieser Kleber bei Krafteinwirkung sehr leicht abplatzt
Dennis Terhorst
65
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Abbildung 4.19: Zeichnung der Kathodenseite der Kammer
66
RWTH Aachen
4.4. BAU DES PROTOTYPS
Abbildung 4.20: Nachträgliche Klebung der Flansche an die GFK-Struktur
Abbildung 4.21: Fertige Driftkammer mit Test-Flansch
Dennis Terhorst
67
KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINER GAS-MONITORKAMMER
Abbildung 4.22: Detailaufnahmen eines Silizium Photomultipliers (links), Verbindung der SiliziumPhotomultilplier mit der szintillierenden Fiber (Mitte), Verstärkerelektronik mit Versorgungsleitungen
und Signalausgängen
Abbildung 4.23: Halterung für die 90 Sr-Quellen für die Driftzeitmessung. Links: Halterung mit Erhöhun-
gen zum
Abbildung 4.22 zeigt eine Nahaufnahme des Si-PM, welcher mit der notwendigen Verstärkerschaltung in ein eigenes Gehäuse montiert ist. Die Sensorfläche des Photomultipliers beträgt, wie der Querschnitt der Fiber, 1 mm × 1 mm. Der Kragen um die eigentliche Sensorfläche dient als Stecker für die
Verbindung mit der szintillierenden Fiber. Dabei greift ein Stopfen mit der Fiber kraftschlüssig in den
Zylinder mit dem Si-PM. Die Verbindung bleibt im Prototypen steckbar, um Änderungen an der Kammer weiterhin zu ermöglichen. Im finalen Aufbau sollte diese Verbindung mit optischem Gel gefüllt
werden bzw. mit gutem optischen Kontakt verklebt werden.
90
Sr-Quellenhalterung
Um die radioaktiven 90 Sr-Quellen genau und sicher zu postitionieren wurde eine Quellenhalterung entwickelt, welche direkt vor den Schlitzen der Kammer montiert wird. Die Grundplatte ist in Abbildung 4.23 zu sehen und ist exakt auf die Vertiefungen in der GFK-Struktur angepasst. Die Position
der Quellen ist damit genau bestimmt und das PVC dient zusätzlich als Blende für den Beta-Strahl.
Die eigentliche Quellenhalterung ist aus Aluminium gefertigt. Die Elektronen werden in Aluminium
gestoppt, wobei sie auf Grund der geringen Kernmasse von Aluminium wenig Bremsstrahlungsphotonen (Gamma-Strahlung) emittieren. Die Abschirmung eventuell entstehender Gammastrahlung wird
durch einen Messingblock vorgenommen, welcher, von außen an den Halter geschraubt, zusätzlich zur
Fixierung der Quelle dient.
4.5 Aufbau mit einem Test-Detektor
Um den Prototypen der Monitorkammer schon ohne ein Micromegas zu testen, wurde ein provisorischer Detekor gebaut. Es wurde, wie in einer Drahtkammer, ein Anodendraht gespannt, an dem über
hinreichend starke Hochspannung Lawinenbildung stattfinden kann (Kapitel 1.4.2). Da der Draht mit
einer positiven Hochspannung betrieben werden muss, ist zur Verringerung störender Effekte auf das
Driftfeld eine geerdete Abschirmung angebracht. Dieses einfache Stück Kupferrohr ist auf einer Platine
angebracht, die, wie später das Micromegas, auf den Anodenflansch geklebt wurde. Die Abbildungen 4.24 zeigen den fertigen Detektor. Da sich bei dem Anschluss des Anodendrahtes einige Spitzen
nicht vermeiden ließen, und diese potentiell der Ausgangspunkt von Überschlägen sein können, ist der
68
RWTH Aachen
4.5. AUFBAU MIT EINEM TEST-DETEKTOR
Abbildung 4.24: Aufbau eines Test-Detektors für provisorische Messungen der Driftzeit, solange noch
kein Micromegas zur Verfügung steht. Links: Verfüllen des Anschlusses mit Silikon, Mitte: Fertiger
Detektor, rechts: Detektor eingeklebt in Flansch (Rückseite) mit
Anschlussdraht zur Isolation in Silikon eingegossen.7
Zum Betrieb des Anodendrahtes als Detektor muss das Signal aus dem Draht ausgekoppelt werden. Direktes Anschließen des Anodendrahts an ein Messinstrument würde dieses beim Einschalten der
Hochspannungsversorgung direkt zerstören. In der Messung der Driftgeschwindigkeit ist daher, wie in
Abbildung 5.8 zu sehen ist, ein Kondensator und ein Widerstand im Hochspannungsanschluss eingebaut
(Abb. 4.24, rechts). Über den hochspannungsfesten Kondesator wird das Signal potentialfrei ausgekoppelt und über den Widerstand wird ein Zurücklaufen des Signals zur Hochspannungsquelle verhindert.
7 Eventuelles
Dennis Terhorst
Ausgasen wurde hier nicht berücksichtigt.
69
Kapitel 5
Messungen und Ausblick
5.1 Gain-Messung mit einer GEM-Testkammer
Da zu Beginn dieser Arbeit noch keine fertige Driftkammer zur Verfügung stand, wurden erste Messungen mit den in Kapitel 3.1 und 3.2 beschriebenen Micromegas in einer GEM-Testkammer vorgenommen. Diese Testkammern wurden ursprünglich für Messungen mit GEM-Stapeln verwendet [32] und
sind daher gasdicht, hochspannungsfest und mit Innenmaßen von 150 mm × 150 mm × 25 mm ausreichend groß, um die Micromegas aufzunehmen. Die geringe Höhe erlaubt allerdings keine Driftzeitmessungen mit diesen Kammern.
5.1.1 5-Pad-Micromegas in GEM Kammer
Abbildung 5.1 zeigt das 5-Pad-Micromegas, eingebaut in
eine Testkammer für GEMs. Die Grundplatte wurde neu
erstellt, um die Anschlüsse der Pads, des Meshes und der
Kathode aufzunehmen. Zusätzlich wurden noch Anschlüsse
seitlich für eine UV-Diode vorgesehen, mit der Elektronen
aus der Aluminiumkathode ausgeschlagen werden sollten.
Bisher waren alle Versuche diese Elektronen nachzuweisen
ohne Erfolg.
Der Rahmen aus GFK ist mit einem Moosgummi-Ring
versehen, um die Kammer gasdicht zu verschließen. Dieser Ring wurde mit Vakuumfett geschmiert, um bessere
Dichtigkeit zu gewährleisten. Vakuumfett eignet sich auf
Grund der geringen Ausgasungen besser als andere Fette Abbildung 5.1: 5-Pad-Micromegas mit
oder Schmiermittel.
Rahmen der GEM Kammer
Das Micromegas wurde mit doppelseitigem Klebeband
auf der Grundplatte befestigt. Normalerweise sollte Klebeband innerhalb einer Testkammer vermieden werden, da die Kleberlösungsmittel sehr stark ausdampfen.
Für diesen Testaufbau wurde jedoch trotzdem darauf zurückgegriffen, da die Menge an ausdampfendem
Lösungsmittel vermutlich so gering ist, dass sie mit dem ständigen Gasaustausch schnell genug weggespült wird. Das Ausgasen kann zudem nur über die Kanten des Klebestreifens geschehen. In der finalen
Kammer wird das Micromegas mit gering-ausgasendem Epoxid-Kleber angebracht.
Weitere Quellen von Verunreinigungen können die verwendeten Kabel sein. Für einen finalen Aufbau sollte man jegliche Arten von Kabelisolationen vermeiden. Dies wurde im Testaufbau ebenfalls
nicht berücksichtigt, da es zunächst um das grundlegende Verstehen und die Charakterisierung des Micromegas ging.
Alle Anschlüsse sind mit Lötstiften durch die Grundplatte geführt und sind daher unterhalb der
Kammer zu erreichen. Die Lötstifte sind mit einem auf Epoxid basierenden Zweikomponenten-Kleber
(UHU Endfest 300) eingeklebt, wovon keine Daten bezüglich des Ausgasens betrachtet worden sind.
Allgemein wird bei Klebestellen mit Kontakt zum inneren Gasvolumen darauf geachtet, dass ein Zweikomponenten-Kleber zum Einsatz kommt, da diese Kleber nicht auf einem Lösungsmittel basieren,
70
RWTH Aachen
5.1. GAIN-MESSUNG MIT EINER GEM-TESTKAMMER
Abbildung 5.2: Aufbau mit der GEM-Testkammer in der Aluminium-Abschirmung, die 55 Fe-Quelle liegt
über dem kleinsten Pad
welches später ausgast und die Messungen verfälschen könnte.
Die Kathode wird im Innenraum der Kammer mit einem Stecker an der Grundplatte angeschlossen.
In der Deckelplatte aus GFK ist ein 10 cm × 10 cm großes Fenster, welches mit einer aluminiumbeschichteten Mylarfolie gasdicht versiegelt ist. Diese Folie dient zum Einen als Kathode, ist aber mit
einer Dicke von ca. 30 µm auch dünn genug um die Photonen der 55 Fe-Quelle größtenteils passieren zu
lassen.
Die Kontaktierung der Kathode wurde mit einem Kupferklebeband realisiert. Der hitzebeständige,
leitende Kleber stellt einen Kontakt zur Alukaschierung des Mylars her und ein Anschlussdraht lässt
sich anlöten.
5.1.2 Aufbau
Abschirmung
Der Messaufbau wurde weitestgehend in eine Aluminiumkiste eingebaut (Abb. 5.2), um das Micromegas mit dem Vorverstärker elektromagnetisch gegen Storstrahlung von außen abzuschirmen. Die
Abschirmung des Vorverstärkers war insbesondere zu Beginn der Versuchsreihen ein Problem. Ist die
Abschirmung des Vorverstärkers nicht auf einem stabilen Potential, so ist das Ausgangssignal extrem
rauschbelastet. Bei ausführlichen Untersuchungen der Rauschquellen zeigte sich besonders das CPKabel (eine CAMAC zu PC Verbindung) als starker Störsender, aber auch ältere Bildschirme und Grafikkarten emmitieren Störsignale, welche in das Micromegas einkoppeln und Störungen in der Größenordnung der Signale verursachen.
In diesem Zusammenhang muss darauf hingewiesen werden, dass Signal-, HV- und Gasdurchführungen an der Rückwand eine Verbindung zwischen den Signal-Erden und der Abschirmung herstellen.
Für detaillierte Beschreibungen der zu berücksichtigenden Effekte muss an dieser Stelle auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen werden. Es muss insbesondere darauf geachtet werden, dass keine
Erdungs-Schleifen entstehen.
Die Signale werden über ein Twisted-Pair Kabel (engl. twisted, verdrillt; engl. pair, Paar, hier:
Adernpaar; links in Abb. 5.2) aus der Abschirmungskiste herausgeführt. Twisted-Pair Kabel bieten mit
differenzieller Signalübertragung auch ohne Abschirmung eine gute Störsicherheit, da sich Induktion
zwischen den Leitern über das Verdrillen der Adern herausmittelt und externe Felder das Potential beider Adern ändern, die Differenz aber annähernd konstant bleibt.
Dennis Terhorst
71
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
Aluminium Abschirmung
CAEN SY127
Umesh −
Uk −
B
HV
HV
R
R
A
PC
5V
coax
+
Signal
USB
VME
Delay
NIM
TP
Gate
Preamp
VM−USB
CAEN QDC v965
D AF P0A
Abbildung 5.3: Schematischer Aufbau der Gain-Messungen, P0A: Post-Amplifier, D: Diskriminator, AF:
Analog Fan-Out, TP: Twisted-Pair Kabel, R: Widerstände, A und B: Anschlüsse für Strommessgeräte
(siehe Text, Abschnitt 5.1.4)
Die HV-Leitungen sind über 1 MΩ-Widerstände an die Kammer (Kathode und Mesh) angeschlossen. Entsteht in der Kammer zwischen Mesh und Anoden-Pads ein Signal würde es ohne diese Widerstände in die HV-Kabel einkoppeln und am Ende des Kabels reflektiert werden. Dadurch erscheint
nach jedem Puls am Eingang des Vorverstärkers ein weiterer Puls dessen Abstand vom ersten von der
Kabellänge der Hochspannungsversorgung abhängt.
Gasversorgung
Die Gasversorgung bei dieser Messung wurde mit drei Ventilen des 100 ℓ/h-Typs realisiert, da die Flussregler kleineren Typs noch nicht Verfügbar waren. Um T2K-Gas (Ar : CF4 : iC4 H10 wie 95 : 3 : 2) zu
mischen wurde daher nach dem Prinzip Mischen über Zeit“ (Kap. 2.1.1) vorgegangen. Der Puffer wird
”
dazu zunächst evakuiert, und dann mit den gewünschten Gasmengen auf etwa 2 barg gefüllt. Nach dem
Ende des Mischvorganges wird das Nadelventil zur Kammer hin auf etwa 6 ℓ/h geöffnet, ein Bubbler1
sichert am Gaseinlass der Kammer das Mylarfenster vor zu großen Kammerdrücken ab. Bei höheren
Flüssen ist der Gegendruck der Auslass-Leitung in der Größenordnung einiger Millibar.
Vor der eigentlichen Messung wurden einige Probemessungen mit der selben Gasmischung durchgeführt, um die Einstellungen zu testen und die Kammer mit dem entsprechenden Gas zu fluten. Da der
Pufferdruck je nach Gasfluss (Kammer und GC) nur für etwa 1 − 2 Stunden reicht, musste zwischen den
Messungen der Puffer wieder neu befüllt werden.
5.1.3
55
Fe-Spektrum
Messung
Die Kammer wurde wie in Abbildung 5.3 schematisch dargestellt betrieben. An der CAEN SY127
Hochspannungsquelle sind Umesh = 420 V und Uk = 600 V eingestellt, damit ist das Driftfeld etwa
100 V/cm. Die 55 Fe-Quelle wurde mit einem Abstandshalter (≈ 2 cm zur Verringerung der Rate) auf
die Kammer gelegt.
Ein Vorverstärker (engl. pre-amplifier, kurz preamp) wandelt das Signal des Pads mit einer 100fachen Verstärkung in ein differenzielles Signal um. Die twisted-pair Verkabelung verringert das Einkoppeln von Störsignalen auf der Strecke bis zum Post-Amplifier (POA), welcher das Signal wieder
in ein asymmetrisches wandelt und eine Impedanzanpassung für 50 Ω vornimmt. Ein Analog-Fanout
(engl. cable fanout, Kabelverzweigung) teilt das Signal, um daraus einerseits mit einem Diskriminator
ein Gate-Signal für den QDC zu erzeugen, und andererseits das Signal zu messen. Die Durchgangszeit
des Diskriminators wird mit einem Kabeldelay (engl. delay, Verzögerung) im Signalweg kompensiert,
die Signalqualitäten vor und nach dem Delay wurden mit einem Oszilloskop verglichen und weisen
1 Auf
72
einer Wassersäule basierender Überdruck-Ablass, der ab einem Druck von ≈ 1 − 4 mbar öffnet
RWTH Aachen
5.1. GAIN-MESSUNG MIT EINER GEM-TESTKAMMER
keine Unterschiede auf. Die Pulszeit des Diskriminators wurde auf die Signallänge von ≈ 200 ns angepasst, so dass das ganze Signal innerhalb der Gate-Zeit liegt. Das Mess- und Gate-Signal werden an die
Eingänge vom QDC gesteckt, welcher über das VM-USB Interface von einem PC ausgelesen wird.
Um ein Nullsignal aufzuzeichen (engl. pedestal, Sockel, Untersatz) wird statt des Signals ein Pulsgenerator an den Diskriminatoreingang angeschlossen. Die Gate-Zeit bleibt damit erhalten, jedoch wird
das Rauschen der Verstärker zu beliebigen Zeiten aufgezeichnet, da der Überlapp eines Signals mit
einem generierten Puls sehr unwahrscheinlich ist.
Ergebnisse
In Abbildung 5.4 ist das mit dem kleinsten Pad aufgezeichnete Spektrum dargestellt (Summe Messung
(106 Einträge) +Pedestal (105 Einträge)). Die relativen Positionen der Peaks entsprechen den Erwartungen für einen 55 Fe- und einen Argon-escape-Peak2.
Differenz 55 Fe–Pedestal
Differenz Aresc –Pedestal
Verhältnis
Kanalnummer
412
196
2,10
Erwartung
Energie [eV]
5899
2744
2,15
Die Breite der Peaks (σ55 Fe = ±0,9 keV, σped = ±0,2 keV) ist im Vergleich zu Messungen mit
anderen Micromegas sehr groß, was auf die schlechte Qualität des Micromegas zurückzuführen ist [14].
Kleine Variationen der Höhe des Meshes führen zu stark unterschiedlichen Feldern und damit zu lokal
unterschiedlicher Gasverstärkung. Für die T2K-TPC werden Micromegas mit einem neuen Verfahren
gefertigt, in dem das Mesh vor dem Laminieren auf einen Rahmen gespannt wird, um eben solche
Unebenheiten zu vermeiden. Das im Kapitel 4.3 geplante Micromegas wird mit dem neuen Prozess
gefertigt werden, daher wird für die finale Monitorkammer ein deutlich schärferes Spektrum erwartet.
5.1.4 Gain-Änderung bei Variation des Drucks
Messung
Bei dieser Messung wurde die Kammer wie in der zuvor
beschriebenen Messung des Spektrums an der SY127 HV
Ar+CH4 95/5
Chamber
betrieben. Statt der Auslese mit dem Preamp dienten jedoch
ex. Valve
Flow
drei Cumos (engl. current monitors, Amperemeter) zur AufPressure
zeichnung der Messwerte. In Abbildung 5.3 sind diese an
den Stellen A und B seriell in die HV-Leitungen geschaltet, Abbildung 5.5: Aufbau des Gassystems
der Dritte zeichnet den Strom des Anoden-Pads auf. Die Cu- zur Messung der Druckabhängigkeit des
mos besitzen einen analogen Messwert-Ausgang, welcher Gains
über einen Dornier-ADC (CAMAC) ausgelesen wurde. Die
aufgezeichneten Ströme sind proportional zur Gasverstärkung und können daher für die Messung von
relativen Änderungen der Gasverstärkung in Abhängigkeit von äußeren Parametern verwendet werden.
Zur Messung der Druckabhängigkeit des Gains wurde ein Ventil in der Auslass-Leitung eingebaut,
um den Kammerdruck regeln zu können (Abb. 5.5). Ein Flussregler im Einlass regelt auf eine konstante
Flussrate nach, so dass Effekte ausgeschlossen werden können, die von der Geschwindigkeit des Gasaustauschs abhängen. Insbesondere werden Verunreinigungen des Driftgases weitestgehend konstant
gehalten, wenn auch nicht unbedingt vermieden.
Die verwendeten Cumos sind stark temperaturabhängig und brauchen daher vor der Messung hinreichend viel Zeit, damit sie ihre Arbeitstemperatur erreichen (> 2 Std). Der dann angezeigte Wert muss
vor dem Einschalten der Spannungen und der eigentlichen Messung als Offset notiert werden.
Das Programm zur Auslese des ADC mittelt nach dem Programmstart über die ersten 30 Sekunden um das Offset zu bestimmen und zieht diesen Wert von allen folgenden Messwerten automatisch
2 Nach der Ionisation emmittiertes Photon verlässt die Kammer und nimmt so FIXME3256 keV (Ar-K-Schale) der Primärenergie aus der Messung
Dennis Terhorst
73
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
ADC_Ch_0
Peaks
Eisen-55 Spektrum in Argon
Entries 110000
Pedestal
Mean = 121.5
460.6
Eintraege
2200
Fe55
= 533.5149.7
RMS
2000
Ar escape = 317.5
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
100
200
Abbildung 5.4: Spektrum von
55
300
400
500
600
700
800
ADC Kanalnummer
Fe in ArCF4 iC4 H10 mit Pedestal-Messung, Umesh = 420 V, Ukath =
600 V
74
RWTH Aachen
5.1. GAIN-MESSUNG MIT EINER GEM-TESTKAMMER
Gain Variation with Pressure in (Ar/CF4/iC4H10 95:3:2)
1.05
1
Gain Variation
0.95
0.9
0.85
0.8
0.99
0.995
1
1.005
1.01
1.015
1.02
Pressure [mbar/1013.25mbar]
1.025
1.03
1.035
Abbildung 5.6: Relative Änderung des Gains mit dem Druck des Gases
ab. Nach einer Messung und dem Abschalten der Spannungen muss der Messwert im Programm also wieder auf Null zurückfallen, ein Restwert deutet auf weiteren Drift des Nullpunkts auf Grund von
Temperaturschwankungen hin.
Ergebnisse
Die Variation der Gasverstärkung ist in Abbildung 5.6 gegen die Variation des Kammerdrucks dargestellt. Es wurde der Druck von 1007 mbar a bis 1047 mbara durchgefahren. Die Steigung der angepassten
Geraden ergibt einen Wert von
∂ G/G
= 4,66 ± 0.07.
∂ p/p
(5.1)
Der Fehler auf den Wert ist der reine statistische Fehler der Geradenanpassung. Systematische Fehler entstehen bei der Messung vorrangig durch den Drift des Nullpunkts der Cumos, und durch die
Ungenauigkeit der Gasmischung.
Die Cumos zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit, was sich nach dem Einschalten in einem
Drift des Nullpunktes äußert. In dieser Zeit sinkt der angezeigte Wert etwa auf die Hälfte ab. Nach einer Zeit von > 3 Stunden stabilisiert sich der angezeigte Wert, welcher in darauf folgenden Messungen
von den Messwerten Subtrahiert werden muss. Der Fehler auf den Nullpunkt ist in der Größenordnung
einiger Prozent des Messwertes, daher muss für die Änderung der Gasverstärkung ein systematischer
Fehler von etwa 5% angenommen werden. Der systematische Fehler auf die relative Druckänderung
ist zu vernachlässigen. Die sichtbaren Digitalisierungsstufen werden durch den gering ausgenutzten
Eingangsbereich des Dornier-ADCs verursacht, haben aber keinen Einfluss auf die Steigung der angepassten Geraden.
Dennis Terhorst
75
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
5.1.5 Gain-Änderung bei Variation der Gasmischung
Messung
Zur Beobachtung der Variationen der Gasverstärkung bei einer Änderung der Gaszusammensetzung
wurde die Kammer wie bei den vorhergehenden Messungen (Abb. 5.3) angeschlossen. Da noch keine
Ventile für das direkte Mischen der T2K-Gasmischung vorhanden waren, wurde nach dem Verfahren
Mischen über Zeit“ vorgegangen.
”
Die Messung wurde nach folgendem Schema durchgeführt wobei der Puffer jeweils bis 2,5 barabs
gefüllt wurde.
1. Mischen: Evakuieren und Befüllen des Puffers
2. Spülen: 10 min bei 6 − 10 ℓn /h
3. Messung
Dabei wurden die Ventile mit einem Vordruck von 3 bar g für Argon, 1 barg für CF4 und 0,5 barg für
Isobutan betrieben.
Vor Beginn der eigentlichen Messung wurde der Puffer mit T2K-Gas gefüllt und die Kammer mit
dem gesamten Gas (≈ 10 ℓ) gespült. Diese Maßnahme stellt sicher, dass keine Luft mehr im System
ist, wenn mit der Aufzeichnung der Messdaten begonnen wird. Der Puffer wurde für diese Messung
insgesamt sechs Mal gefüllt. Mit jeder Füllung wurde zunächst eine Pedestal-Messung durchgeführt,
dann wurden zwei Spektren und zum Abschluss eine weitere Pedestal-Messung aufgezeichnet. Die
zweite Pedestal-Messung dient dazu um ggf. ein Driften des Nullpunktes zu erkennen. Folgende Gase
wurden gemischt (jeweils Ar : CF4 : iC4 H10 ):
1. 95 : 3 : 2 (Fluten der Kammer, ohne Messung)
2. 95 : 3 : 2 (T2K-Gasmischung)
3. 95,5 : 2,5 : 2
4. 95,5 : 3 : 1,5
5. 94,5 : 3 : 2,5
6. 95 : 3 : 2 (Abschließende Reproduktionsmessung)
Die Spannungen der Kathode und des Mesh wurden auf Uk = 600 V und Umesh = 420 V gesetzt.
Ergebnisse
Eine Messung der Abhängigkeiten der Gasverstärkung von verschiedenen Anteilen CF4 oder Isobutan wurde vorgenommen. In Abbildung 5.7 (a) sind die Werte der Messungen mit 3%CF4 gegen den
Isobutan-Anteil aufgetragen. Es ist deutlich zu sehen, dass die Messungen mit jeweils 2%iC4 H10 stark
variieren. Die niedrigeren Werte sind dabei jeweils von der ersten Spektrumsmessung. Die Messung des
Pedestals ergab bei allen Messungen immer den selben Wert.
Da die abschließende Messung mit der T2K-Gasmischung zeigt, dass sich die Messung der Gasverstärkung nicht sicher reproduzieren lassen, wurde entschieden mit dem Restgas im Puffer weitere
Spektren aufzuzeichnen. In Abbildung 5.7 (b) ist die Variation des Gains gegen die Zeit aufgetragen. Es
ist deutlich zu erkennen, dass sich die Gasverstärkung stark ändert. Dieses Verhalten des Gains zeigt sich
nach jedem Mischvorgang, daher ist es vermutlich auf eine Undichtigkeit im System zurückzuführen,
durch die während der Mischzeit Luft eindringt. Es besteht auch die Möglichkeit, dass schon vor dem
Mischen, bei der Evakuierung des Puffers, Luft ins System gesogen wird.
Wegen der großen Unsicherheiten bei der Gasmischung konnte bisher keine Aussage zum Verhalten des Gains bei verschiedenen Gasmischungen gemacht werden. Es konnte nicht hinreichend genau
geklärt werden wo sich das Leck befindet, daher wurde beschlossen die Messungen mit der finalen
Kammer und passenden Ventilen zu wiederholen.
76
RWTH Aachen
5.2. MESSUNG DER DRIFTGESCHWINDIGKEIT
Fe55 Peak Positionen (3% CF4)
Fe55 Peak Positionen
1200
2500
Fe55 Peak
Escape Peak
Pedestal
Fe55 Peak
Escape Peak
Pedestal
2000
800
QDC Kanal
QDC Kanal
1000
600
1500
1000
400
500
200
0
07.05
17:40
0
1.4
1.6
1.8
2
2.2
Isobutan-Anteil
2.4
2.6
07.05
17:45
07.05
17:50
07.05
17:55
07.05
18:00
07.05
18:05
Zeit
(a) Messung des Gains bei Variation der Gasmischung.
(b) Messung des Gains über die Zeit einer Pufferfüllung.
Abbildung 5.7: Beobachtungen bei Gain-Messungen mit dem Mischen über Zeit“-Verfahren
”
HV
Sr90
CAEN SY127
Ua +
HV
R
VME
Ethernet
Signal
Start
C
NIM
(zum Subserver)
Sz
&
MVME3100
VFADC50
VHS4060n
SiPM
Amp
K
SiPM
D
Abbildung 5.8: Schematischer Aufbau für die Driftzeitmessung, Amp: Verstärker, K: Koinzidenz, D:
Diskriminator, C: 220 nF/6 kV, R: 1 MΩ Widerstand, Sz: Szintillatormaterial gekoppelt an Si-PMs.
5.2 Messung der Driftgeschwindigkeit
Nachdem der Prototyp der Kammer fertiggestellt wurde, konnte die Driftgeschwindigkeit in verschiedenen Gasen untersucht werden. Da das Micromegas noch nicht zur Verfügung stand wurden diese
Messungen mit dem beschriebenen Testdetektor durchgeführt.
5.2.1 Aufbau
Für die Messungen der Driftzeit wurde die Prototyp-Kammer, wie in Abbildung 5.8 schematisch dargestellt, in Betrieb genommen. Die Versorgung des Anodendrahts wird mit der CAEN Hochspannungsversorgung realisiert, da das für die endgültige Kammer vorgesehene iSeg VME-Modul keine positive
Hochspannung bereitstellt. Mit einem hochspannungsfesten 220 nF Kondensator wird das Signal ausgekoppelt, und an einen Eingang des FADC gelegt.
Als Start-Signal eines Ereignisses dient die Koinzidenz der beiden Silizium-Photomultiplier. Die
Rauschraten der einzelnen Photomultiplier sind sehr hoch (vergleiche Tab. 2.3, S. 26), durch die Koinzidenz wird jedoch ein Großteil des Untergrundes unterdr ückt. Sind beide Strontium-Quellen in den
Quellenhaltern installiert, wird momentan 3 eine Trigger-Rate von ungefähr 400 Hz erreicht.
Die Gasversorgung übernahmen bei diesem Aufbau drei passende Bronkhorst Massenflussregler, so
dass nicht auf das Mischen über Zeit“-Verfahren zurückgegriffen werden muss. Zusätzlich ist eine Fla”
sche Prüfgas (T2K-Gasmischung) angeschafft worden, mit der eine sichere Referenzmessung gemacht
werden kann, ohne auf die Genauigkeit der Flussregler angewiesen zu sein.
3 nach
manuellem Verlegen der Faser, ohne Polieren der Enden
Dennis Terhorst
77
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
Abbildung 5.9: Photos vom Aufbau für die Driftzeitmessung. Links: Blick in das Innere des Prototyps
auf die Kathode, Mitte: Blick auf den Test-Detektor auf dem Anoden-Flansch, rechts: Platine zur Auskopplung der Signale aus dem Anoden-Draht
Um mit der Kammer eine Driftzeitmessung zu machen, schon bevor das Micromegas gefertigt wird,
wurde für Testzwecke ein kleiner Detektor gebaut. Abbildung 5.9 zeigt das Innere der Kammer, sowohl
vom Detektor aus gesehen, als auch von der Kathodenseite auf den Detektor.
Da für die Driftzeitmessung nur die Zeitpunkte des Teilchendurchgangs von Interesse sind, werden den Photomultipliern Diskriminatoren nachgeschaltet, welche Signale oberhalb einer einstellbaren
Schwelle zu genormten NIM Ausgangspulsen wandeln. Die Energieauflösung geht dabei verloren, jedoch können diese Pulse als Startpulse für den FADC verwendet werden (siehe Abschnitt 2.5).
5.2.2 Software
Bei diesem Versuch kam die in Kapitel 2.11 beschriebene Software in vollem Umfang zum Einsatz. Auf
dem Laborrechner lx3btpc01 wurde ein Subserver-Prozess gestartet und auf allen anderen Rechnern
in der entsprechenden Umgebungsvariable bekanntgegeben. Der Graph in Abbildung 5.10 zeigt den
Datenfluss zwischen den einzelnen Software-Teilen im Messbetrieb. Die Abbildung wurde auf Anfrage
automatisch vom System generiert. Ellipsenförmige Knotenpunkte stellen darin die Abonnements dar,
eckige Knoten sind Prozesse auf verschiedenen Rechnern. Auf die Prozesse soll im Folgenden kurz
eingegangen werden, um das Verhalten des Systems zu veranschaulichen.
t2k fadc – Dieser Prozess läuft auf dem MVME3100 SBC. Er steuert die iSeg Hochspannungsversorgung und stellt im 5-Sekunden-Takt den aktuellen Status im Abonnement /vhs4060n/status“
”
bereit. Zusätzlich prüft der Prozess kontinuierlich ob der FADC ein Ereignis registriert hat. Wenn
im FADC ein Ereignis vorliegt wird es ausgelesen und analysiert: Parameter des ganzen Graphen, wie z. B. Mittelwert, Minimum, Maxiumum und die Summe aller Werte werden ausgerechnet und eine schwellwertbasierte Peak-Erkennung bestimmt Parameter von gefundenen Signalen
(Minimum, Maximum, Startzeit, Länge, Integral und Schwerpunkt). Alle gefundenen Parameter
werden mit fortlaufender Ereignis-Nummer unter dem Abonnement-Namen /vfadc/data“ ein”
gereicht. Der allgemeine Status des Programms und die auszuführenden Aktionen werden als
Informationen im /log“-Abonnement bereitgestellt.
”
client logchange – Um die gemessenen Daten strukturiert Aufzuzeichnen, abonniert dieses Programm einen beliebigen Kanal und zusätzlich das /control“-Abonnement. Über das /control“”
”
Abonnement kann mit der Zeichenkette start run 001“ das Aufzeichnen der Daten eingeschaltet,
”
und mit stop run“ abgeschaltet werden. Der Prozess öffnet für jeden Lauf (engl. Run) eine Datei
”
mit dem Abonnement-Namen und run-Suffix und schreibt die empfangenen Daten in das loka4
le Dateisystem. Für diesen Versuch wurden mehrere Instanzen dieses Programms gestartet, so
dass sowohl die FADC-Daten, als auch das dazugehörige Hochspannungsprofil für jeden Lauf
gespeichert werden.
thpc main – Am Rechner lx3btpc04 sind die Umweltsensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und
Druck angeschlossen. Dieser Prozess liest diese aus und stellt die Daten im Abonnement /thpc/”
data“ im System zur Verfügung.
4 auf
78
dem Rechner auf dem der Prozess gestartet wurde
RWTH Aachen
5.2. MESSUNG DER DRIFTGESCHWINDIGKEIT
Abbildung 5.10: Software-Struktur zur Aufnahme der Messwerte der Driftgeschwindigkeitsmessung (automatisch generierte Grafik). Abonnements sind elliptisch dargestellt, Prozesse rechteckig.
client – Dies ist der Standardclient der libsubsystem-Bibliothek. Der abonnierte Datenstrom wird
auf der Standardausgabe ausgegeben und die Standardeingabe wird zeilenweise unter dem selben
Abonnement-Namen in das System eingestellt. Das Programm wird an unterschiedlichen Stellen
verwendet:
• Zur Steuerung des Gesamtsystems dient der client, welcher in der Abbildung oben mittig
zu sehen ist. Der Benutzer kann hier Befehle an das System eintippen.
• Für das /flowbus/BH1“-Abonnement wurde ein client Prozess gestartet, welcher die Aus”
gaben der Flowbus-Software5 im System bereitstellt.
• Um allgemeine Status-Informationen zu lesen, kann ein weiterer client für das /log“”
Abonnement gestartet werden, wie unten in der Abbildung zu sehen ist. Dies ist optional.
Als weitere Informationen finden sich in der Abbildung bei Prozessen die IP-Adresse der Quelle,
bei Abonnements Logging- und Timestamping-Flags, die Anzahl der Quellen und Senken und die Zeit
seit dem letzten Paket (in Sekunden).
5 Ein
selbstgeschriebenes Programm, welches Funktionen bereitstellt, die noch nicht in den Bibliotheken verfügbar sind.
Dennis Terhorst
79
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
Messreihe
Um die Driftgeschwindigkeit bei verschiedenen Feldstärken zu messen wurde die Felstärke schrittweise
erhöht. Jeweils bei einer Driftfeldstärke von 100 V/cm mit 50 V/cm Schritten bis 350 V/cm wurden
jeweils 2000 Ereignisse aufgezeichnet, wobei Signale, in denen kein Peak gefunden werden konnte,
vorher verworfen wurden.
Der Anodendraht wurde dabei auf ein Potential von Ua = +1150 V gelegt und der nachgeschaltete
Verstärkter wurde auf 500-fache Verstärkung eingestellt.
5.2.3 Ergebnisse
Die Histogramme der ermittelten Peak-Schwerpunkt-Zeiten sind in Abbildung 5.11 gezeigt. Dabei ist
zu erkennen, dass deutlich weniger Ereignisse von der Anoden-nahen Quelle registriert werden. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass der Testdetektor wegen seiner Ausmaße den Schlitz etwas verdeckt.
Weiter ist zu sehen, dass die Differenz der Driftzeiten sich mit dem angelegten Driftfeld ver ändert. Die
Abhängigkeit der daraus berechneten Driftgeschwindigkeit von der Driftfeldstärke ist in Abbildung 5.12
gezeigt.
Die longitudinale Diffusion der Elektronenwolken kann wie in der Einleitung beschrieben abgeschätzt
werden. Nach einer Driftstrecke von 10 cm mit einer Driftgeschwindigkeit von 78 µm/ns ergibt sich für
eine anfänglich punktförmige Ladungswolke eine Diffusionsbreite von σL ≈ 632 µm, dies bedeutet,
dass sich ≈ 67% der Ladungen innerhalb des ±σL -Bereichs um den Mittelpunkt der Ladungswolke befinden. Bei der angegebenen Driftgeschwindigkeit wird daher der Hauptteil der Ladung innerhalb von
≈ 20 ns auf dem Pad deponiert.
5.3 Weitere Entwicklung, Zusammenfassung und Ausblick
5.3.1 Kammerbau
Es wurde im Verlaufe dieser Arbeit eine funktionierende Driftkammer hergestellt, welche dazu benutzt
werden kann sowohl die Driftgeschwindigkeit von Elektronen, als auch die Gasverstärkung eines Driftgases zu messen. Die geforderten Driftfelder bis 350 V/cm sind erreichbar und das Kammervolumen ist
für einen Gasfluss von einigen Litern pro Stunde angemessen.
Triggersystem
Das Triggersystem mit Szintillationsfasern und Silizium-Photomultipliern wurde erfolgreich in Betrieb
genommen, nachdem die Hauptschritte der Konstruktion des Prototypen abgeschlossen waren.
In einem weiteren Design soll die Halterung des Triggersystems direkt als Bestandteil der Kammer
gefertigt werden. Die bisher aus POM gefertigten Kanten entfallen, und werden durch die entsprechende
Form in den PVC-Block des Triggersystems integriert. Probleme mit der Klebung von POM werden
dadurch zusätzlich eliminiert.
Es bleibt noch zu untersuchen, ob sich die Eigenschaften der szintillierenden Faser, oder der SiPMs über längere Zeitskalen ändern. Etwa könnten Alterungseffekte der Fasern zu einer geringeren
Triggerrate führen, was längere Messzeiten zur Folge hätte.
Micromegas
Mit den verfügbaren Test-Micromegas konnten verschiedene Messungen gemacht werden und dadurch
die grundlegenden Eigenschaften bestimmt werden. Die Zusammenhänge wurden zu großen Teilen verstanden und die die Probleme der Auslese ausgeräumt.
Die Entwicklung eines speziellen Micromegas für die Monitorkammer ist angelaufen und das konzeptionelle Design ist abgeschlossen. Es wurde begonnen die bei der Produktion auftretenden Probleme
zu erkennen und zu lösen.
80
RWTH Aachen
5.3. WEITERE ENTWICKLUNG, ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Abbildung 5.11: Histogramme der Peak-Schwerpunkte. (Zeiten sind in µs auf der Abszisse, die Anzahl
der Ereignisse auf der Ordinate dargestellt.)
Dennis Terhorst
81
KAPITEL 5. MESSUNGEN UND AUSBLICK
Abbildung 5.12: Ermittelte Driftgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Driftfeldstärke, zwei aufeinander
folgende Messungen
82
RWTH Aachen
5.3. WEITERE ENTWICKLUNG, ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Gassystem
Das Aufgebaute Gassystem ist vielseitig verwendbar und in Teilen schon in die Datennahme integriert. Die Flussregler wurden auf verschiedene Arten eingesetzt und ihr Verhalten unter verschiedenen
Umständen untersucht. Es steht noch aus die Mischungsverhältnisse der Gase durch separate Messungen
zu bestätigen. Des Weiteren währe eine systematische Studie der Verunreinigungen sinnvoll.
Finaler Aufbau in einem Crate
Die äußeren Abmessungen der verwendeten Geräte sind so ausgelegt, dass zwei Monitorkammern in
einen 19”-Einschub eingebaut werden können. Dazu ist geplant ein VME-Modul zu entwickeln, welches die bisher verwendeten NIM-Module ersetzt. Da ein späterer Aufbau mit einem Micromegas keine
positive Hochspannung mehr benötigt, kann das Monitorsystem für das T2K-Experiment mit den Kammern und und einem einzigen VME-Crate aufgebaut werden.
5.3.2 Messungen der Gasverstärkung
Die relative Änderung der Gasverstärkung wurde für einige Gasmischungen bestimmt, jedoch ist die
Aussagekraft der Messungen auf Grund der Unsicherheiten in der Gasmischung noch stark begrenzt.
Weitere Messungen zum Langzeitverhalten der Gasverstärkung stehen daher noch aus.
5.3.3 Messung der Driftgeschwindigkeit
Eine Messung der Driftgeschwindigkeit ist mit der entwickelten Driftkammer und dem vorgesehenen
Gas möglich. Die Messungen wurden jedoch mit einem Test-Detektor durchgeführt, welcher, besonders
im Bereich der Anode, das das Driftfeld stark verzerrt und den Bereich eines Beta-Strahls teilweise
blockiert. Für zuverlässige Messungen ist daher das entwickelte Micromegas notwendig.
Software
Es wurden zwei umfangreiche Software-Pakete entwickelt, mit denen die Messaufgaben im Labor zu
großen Teilen automatisiert werden können. Der modulare Aufbau des Quellcodes macht es möglich
weitere Geräte auf einfache Weise zu implementieren und mit den vorhandenen zusammen zu benutzen.
Die Netzwerkfähigkeit der Software stellt viele Schnittstellen bereit und ermöglicht plattformübergreifend den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen.
Eine Schnittstelle zum Midas-System (Datennahmesystem des T2K-Projektes) ist vorgesehen, aber
noch nicht implementiert, da zunächst die Entwicklung der Monitorkammer im Vordergrund stand.
Ausblick
Die große Flexibilität des Gassystems, des Micromegas und der entwickelten Software-Pakete ermöglicht
vielseitige Benutzung der Komponenten auch in anderen Projekten. Das Gassystem ist auf die Erfordernisse eines beliebigen (nicht zu großen) Gasdetektors zugeschnitten und kann gegebenenfalls zu einem
mobilen Racksystem zusammengefasst werden. Das Micromegas ist durch die Pixelstruktur der Sensorfläche vermutlich auch als TPC mit 4 × 14 Pixeln zu betreiben. Dies erfordert allerdings den Aufbau
einer aufwändigen Ausleseelektronik und ist daher zunächst nicht vorgesehen.
Dennis Terhorst
83
Anhang A
Materialeigenschaften
Dieser Abschnitt soll als schnelle Referenz zu den Eigenschaften der im Kammerbau verwendeten Materialenen dienen. Besondere Aufmerksamkeit liegt dabei auf Daten, die den Einfluss der Materialien
auf die radioaktive Strahlung der verwendeten Quellen beschreiben, und Parameter die für die Funktion
der Kammer notwendig sind. Der Großteil der Daten wurde dem Review of Particle Physics“ [16], [11]
”
und der Physical Reference Data“ [27], [28] entnommen, weitere Quellen sind angegeben.
”
Gamma-Strahlung Die Angabe der Absorbtionslänge λ der Gamma-Quanten bezeichnet im Folgenden die Länge, nach der die Intensität I eines einfallenden monoenergenischen Photonenstrahls
auf I · e−1 abgeschwächt wird. Die Energieabsorbtionslänge λen berücksichtigt zusätzlich die
Reichweite der erzeugten Sekundärteilchen (Es gilt λ < λen ).
Beta-Strahlung Die begrenzte Reichweite von Elektronen in Materie ist zurückzuführen auf Ionisationsverluste an den Molekülen und Strahlungsverluste in Kern- oder Elektronenfeldern (Bremsstrahlung). Dabei ist der Energieverlust pro Wegstrecke (stopping power) abhängig von der Energie der Elektronen und die Reichweite damit das Integral über die Energie des Elektrons bis Null
(engl. contiously slowing down approximation (CSDA)).
84
RWTH Aachen
A.1. GASE
A.1 Gase
A.1.1 Argon
Element
Atomgewicht [27]
Mittlere Ionisationsenergie [37]
Verwendung
Dichte [28]
Dichte [9]
Ar(18)
39,948 u
26,3 eV
Hauptbestandteil des Driftgases
1,662 µg/cm3
1,784 µg/cm3 (273 K)
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Anzahl ionisierender Kollisionen per
Zentimeter [37]
3,573384 · 10+03 mm, 2,333462 · 10−04 keV/µm
9,819436 · 10+03 mm, 2,501325 · 10−04 keV/µm
27,8 ± 0,3 cm/λ (γ = 4,0)
28,6 ± 0,3 cm/λ (γ = 3,5)
26,4 ± 0,3 cm/λ (γ = 3,5)
Reichweite von Elektronen in Argon (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Argon
100000
Stopping Power [MeV/cm]
0.1
Reichweite [cm]
10000
1000
100
10
1
0.01
0.001
0.0001
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.1
0.01
0.1
1
10
100
1000
1e-05
0.01
Energie [MeV]
0.1
1
10
100
1000
Energie [MeV]
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
23,2 mm (Eγ = 6 keV)
24,6 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Argon
Absorptionslaenge [cm]
100000
10000
1000
100
10
1
0.1
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
Ionisationsenergien [9]
M3
M2
M1
L3
L2
L1
K1
Dennis Terhorst
eV
15,8
15,9
29,3
248,4
250,6
326,3
3205,9
85
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.1.2 Luft
Dichte [27]
Verwendung
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
1,205 µg/cm3
Umgebung
4,077059 · 10+03 mm, 2,016818 · 10−04 keV/µm
1,140448 · 10+04 mm, 2,104768 · 10−04 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Air (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Air
0.1
Stopping Power [MeV/cm]
100000
Reichweite [cm]
10000
1000
100
10
1
0.01
0.001
0.0001
1e-05
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.1
0.01
0.1
1
10
100
1000
1e-06
0.01
0.1
Energie [MeV]
1
10
100
1000
Energie [MeV]
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
354,5580 mm (Eγ = 6 keV)
365,6477 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Air
Absorptionslaenge [cm]
100000
10000
1000
100
10
1
0.1
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
86
RWTH Aachen
A.1. GASE
A.1.3 Tetrafluormethan
3,72 µg/cm3 (wiki)
Driftgasbestandteil
CF4
Dichte [27]
Verwendung
Formel
Dampfdruck
Dampfdruckkurve von Tetrafluoromethane
-100
-105
Temperatur [C]
-110
-115
-120
-125
-130
-135
T
-140
1
Druck [bar(a)]
Dennis Terhorst
87
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.1.4 Isobutan
Dichte (Butane) [27]
Verwendung
Formel
2,49 µg/cm3
Driftgasbestandteil
i-C4 H10
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
(in n-Butan)
Dampfdruck
1,579752 · 10+03 mm, 5,166387 · 10−04 keV/µm
4,459720 · 10+03 mm, 5,333447 · 10−04 keV/µm
Dampfdruckkurve von Isobutane
40
30
Temperatur [C]
20
10
0
-10
-20
T
-30
1
Druck [bar(a)]
88
RWTH Aachen
A.2. KAMMERBESTANDTEILE
A.2 Kammerbestandteile
A.2.1 Polyimid (Kapton)
Verwendung
Zusammensetzung [9]
Dichte [9]
Eigenschaften
Dicke der Kaptonschicht
Dicke der Kupferauflage
Dimensionen
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Basismaterial für Feldstreifen
C22 H10 N2 O5
1,43 g/cm3
gasdicht, durchschlagfest, gast nicht aus
50 µm (soll)
35 µm auf beiden Seiten (soll)
283 × 220 mm
3,369014 · 10+00 mm, 2,404060 · 10−01 keV/µm
9,647887 · 10+00 mm, 2,415420 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Kapton (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Kapton
100
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
Dennis Terhorst
100
1000
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Energie [MeV]
89
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.2.2 Polyethylene Terephthalate (Mylar)
Verwendung
Zusammensetzung [9]
Dichte [9]
Fenster in Kathode
C10 H8 O4
1,40 g/cm3
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
3,361429 · 10+00 mm, 2,409400 · 10−01 keV/µm
9,628571 · 10+00 mm, 2,419200 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Mylar (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Mylar
100
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
1000
0.001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
0,4442075 mm (Eγ = 6 keV)
0,4575821 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Mylar
Absorptionslaenge [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
90
RWTH Aachen
A.2. KAMMERBESTANDTEILE
A.2.3 Polytetrafluoroethylene (Teflon)
Verwendung
Stützkonstruktion bei Klebungen, und Gasdichtung
bei Metallverschraubungen
C2 F4
2,20 g/cm3
Formel [9]
Dichte [9]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
2,375909 · 10+00 mm, 3,425400 · 10−01 keV/µm
6,772727 · 10+00 mm, 3,458400 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Teflon (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Teflon
100
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
100
1000
0.001
0.01
0.1
Energie [MeV]
1
10
100
1000
Energie [MeV]
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
0,1446676 mm (Eγ = 6 keV)
0,1477236 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Teflon
Absorptionslaenge [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
λ
λen
0.0001
1e−05
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
Dennis Terhorst
91
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.2.4 Polyoxymethylene (POM)
Verwendung
Dichte [27]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Stützkonstruktion der Kathode
1,42 g/cm3
3,218947 · 10+00 mm, 2,515125 · 10−01 keV/µm
9,228070 · 10+00 mm, 2,522250 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Polyoxymethylene (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Polyoxymethylene
100
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
92
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
0.001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
RWTH Aachen
A.2. KAMMERBESTANDTEILE
A.2.5 Polyvenylchlorid (PVC)
Verwendung
Dichte [27]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Konstruktion des Quellenhalter und Triggersystems
1,30 g/cm3
3,800000 · 10+00 mm, 2,148900 · 10−01 keV/µm
1,076154 · 10+01 mm, 2,197000 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Polyvinylchloride (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Polyvinylchloride
100
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
1000
0.001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
0,05514199 mm (Eγ = 6 keV)
0,05762028 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Polyvinylchloride
Absorptionslaenge [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
Dennis Terhorst
93
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.2.6 Kupfer
Verwendung
Dichte [27]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Feldstreifen, Kathode, teilweise Anode
8,96 g/cm3
7,106027 · 10−01 mm, 1,172864 · 10+00 keV/µm
1,953125 · 10+00 mm, 1,258880 · 10+00 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Copper (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Copper
1000
Stopping Power [MeV/cm]
10
Reichweite [cm]
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
100
10
1
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
1e-05
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
1000
0.1
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
0,009654597 mm (Eγ = 6 keV)
0,009894250 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Copper
Absorptionslaenge [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
1e−05
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
94
RWTH Aachen
A.2. KAMMERBESTANDTEILE
A.2.7 Aluminium
Verwendung
Dichte [27]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Flansche, Quellenhalter
2,97 g/cm3
2,054911 · 10+00 mm, 4,010565 · 10−01 keV/µm
5,743081 · 10+00 mm, 4,180596 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Aluminum (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Aluminum
1000
Stopping Power [MeV/cm]
100
Reichweite [cm]
10
1
0.1
0.01
0.001
100
10
1
0.1
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
100
1000
0.01
0.01
0.1
Energie [MeV]
1
10
100
1000
Energie [MeV]
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
0,03213541 mm (Eγ = 6 keV)
0,03270268 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Aluminum
Absorptionslaenge [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
λ
λen
0.0001
1e−05
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
Dennis Terhorst
95
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.2.8 Plastik Szintillator (Vinyltoluene-basiert)
Verwendung
Dichte [27]
Elektronen
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
[28]
Ee = 1,0 MeV
Ee = 2,5 MeV
Triggersystem
1,03 g/cm3
4,291667 · 10+00 mm, 1,882368 · 10−01 keV/µm
1,233527 · 10+01 mm, 1,881336 · 10−01 keV/µm
Reichweite von Elektronen in Scintillator (CSDA)
Stopping Power von Elektronen in Scintillator
1000
100
Stopping Power [MeV/cm]
Reichweite [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
10
1
0.1
0.01
Kollisions S.P.
Radiative S.P.
Totale S.P.
CSDA
0.0001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
Photonen
Absorptionslänge λ [29]
Energieabsorptionslänge λen [29]
1000
0.001
0.01
0.1
1
10
Energie [MeV]
100
1000
0,9641714 mm (Eγ = 6 keV)
1,004137 mm (Eγ = 6 keV)
Reichweite von Gammastrahlung in Scintillator
Absorptionslaenge [cm]
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.001
λ
λen
0.01
0.1
1
10
100
Energie [MeV]
96
RWTH Aachen
A.3. RADIOAKTIVE QUELLEN
A.3 Radioaktive Quellen
A.3.1 Eisen-55
55
Element/Isotop
Fe
Röntgen-Quelle
Zerfall
55
26 Fe 29
O
O
28,79 a 55
/ Mn
30
25
(stabil)
O
γ (5,9 keV),
γ (6,4 keV)
Verwendung
Halbwertszeit [23]
Zerfall [23]
Reichweiten in Materialien (Eγ
6 keV)
Kohlenstoff
Chlor
Fluor
Wasserstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Dennis Terhorst
Gain-Messung
2,73 a
γ (5,9 keV), MnKa
γ (6,4 keV), MnKb
=
λ [cm], λen [cm]
5,372012 · 10−2 , 5,580980 · 1002
1,400671 · 100 , 1,463277 · 100
1,670085 · 101 , 1,702894 · 101
2,954128 · 104 , 5,982256 · 105
4,743852 · 101 , 4,878697 · 101
2,711289 · 101 , 2,773364 · 101
97
ANHANG A. MATERIALEIGENSCHAFTEN
A.3.2 Strontium-90
Element/Isotop
90
Sr
Beta− -Strahler
Zerfall
28,79 a 90
90
/ Y
39 51
38 Sr 52
546 keV
e−
Verwendung
Aktivität
Halbwertszeit [23]
Zerfall [23]
Reichweite (CSDA) und Energieverlust
(Ee = 2500 keV) [28]
Air
Aluminum
Argon
Butane
Carbon
Copper
Kapton
Mylar
Polyoxymethylene
Polyvinylchloride
Scintillator
Teflon
98
64 h
/
90
40 Zr 50
(stabil)
2280 keV
e−
Driftzeit-Messung
5 MBq
28,79 a
e− (546 keV), 100% (Eb Endpunkt)
1,140 · 10+04 mm, 2,104 · 10−04 keV/µm
5,743 · 10+00 mm, 4,180 · 10−01 keV/µm
9,819 · 10+03 mm, 2,501 · 10−04 keV/µm
4,459 · 10+03 mm, 5,333 · 10−04 keV/µm
8,370 · 10+00 mm, 2,782 · 10−01 keV/µm
1,953 · 10+00 mm, 1,258 · 10+00 keV/µm
9,647 · 10+00 mm, 2,415 · 10−01 keV/µm
9,628 · 10+00 mm, 2,419 · 10−01 keV/µm
9,228 · 10+00 mm, 2,522 · 10−01 keV/µm
1,076 · 10+01 mm, 2,197 · 10−01 keV/µm
1,233 · 10+01 mm, 1,881 · 10−01 keV/µm
6,772 · 10+00 mm, 3,458 · 10−01 keV/µm
Reichweite (CSDA) und En
(Ee = 1000 keV) [28]
Air
Aluminum
Argon
Butane
Carbon
Copper
Kapton
Mylar
Polyoxymethylene
Polyvinylchloride
Scintillator
Teflon
RWTH Aachen
A.4. KAMMEREIGENSCHAFTEN
A.4 Kammereigenschaften
Abmessungen
Innen (=Klebekern)
(BxHxL, Radius der langen Kanten)
Außen (BxHxL)
Feldstreifen
Breite
Abstand
Pitch
Widerstände
Gesamtwiderstand
Schlitzabstand (mitte-mitte)
Schlitzmaße
Streifen bis Rand
Potential in Streifenmitte
Volumen
Maximale Driftfeldlänge*
Kürzester Abstand Kathode–Ground
innen
außen
Kaptondicke
Kupferauflage
Kammeranschlüsse
Gas
Hochspannung (Kathode)
∗
40 mm × 95 mm × 300 mm,
r = 10 mm
107, (54 innen, 53 außen)
2 mm
0,8 mm
2,8 mm
4,7 MΩ, (1% genau)
498,2 MΩ(soll)
≈ 500 MΩ (gemessen)
120,4 mm
1,5 mm × 15 mm
5 innen, 5 außen
53±43
106 · (VC − V0 ) + V0 ≈ 10% and 90% des Driftfeldes
(34 + π) cm2 · h[cm]
148,4 mm
50 µm
35 µm beidseitig
6 mm SwagelokR , metrisch
SHV (< 6 kV)
Mitte des ersten Streifens bis Mitte des letzten Streifens
Dennis Terhorst
99
Anhang B
Simulation mit Magboltz
B.1 Beschreibung
Magboltz ist ein Fortran-Programm zur Berechnung von Driftgaseigenschaften. Es simuliert die Elektronenbewegung im Driftgas und dessen Stoßprozesse, so dass durch den berechneten Weg des Elektrons z. B. die Driftgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Durch Einbeziehung eines Magnetfeldes
können auch der Lorentz-Winkel und weitere magnetfeld-abhängige Größen berechnet werden. Durch
das Nachverfolgen von Elektronenspuren könneb auch die Diffusionseigenschaften und Elektronenmobilitäten berechnet werden.
B.2 Ergebnisse
Im Folgenden ist beispielhaft die Ausgabe einer Simulation des T2K-Gases mit einem Driftfeld von
300 V/cm gezeigt.
PROGRAM MAGBOLTZ 2 VERSION 7.1
MONTE CARLO SOLUTION FOR MIXTURE OF 3 GASES.
-----------------------------------------------------GASES
USED
PERCENTAGE USED
ARGON 2002 ISOT
CF4 --2001--ISOBUTANE 1999
95.0000
3.0000
2.0000
GAS TEMPERATURE = 20.0 DEGREES CENTIGRADE.
GAS PRESSURE =
760.0 TORR.
INTEGRATION FROM 0.0 TO
2.83 EV.
IN 2048 STEPS.
ELECTRIC FIELD =
300.0000 VOLTS/CM.
MAGNETIC FIELD =
0.2000 KILOGAUSS.
ANGLE BETWEEN ELECTRIC AND MAGNETIC FIELD =
0.000 DEGREES.
CYCLOTRON FREQ. =
0.352E-02 RADIANS/PICOSECOND
INITIAL ELECTRON ENERGY =
0.057 EV.
TOTAL NUMBER OF REAL COLLISIONS =
100000000
NULL COLLISION FREQUENCY AT 8 EQUALLY SPACED ENERGY INTERVALS (*10**12/SEC)
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
0.111E+01
REAL COLLISION FREQUENCY AT 8 EQUALLY SPACED ENERGY INTERVALS (*10**12/SEC)
0.308E-01
0.117E+00
0.244E+00
0.378E+00
0.515E+00
0.662E+00
0.831E+00
0.102E+01
VEL
78.44
78.43
78.43
100
POS
TIME
0.116E+02 0.148E+09
0.233E+02 0.297E+09
0.349E+02 0.446E+09
ENERGY
COUNT
DIFXX
DIFYY
DIFZZ
0.2659
0.2658
0.2658
100
200
300
3870.3
3902.3
4017.1
4302.8
3965.2
3992.5
0.0
0.0
1570.0
RWTH Aachen
B.2. ERGEBNISSE
78.44 0.466E+02 0.594E+09
0.2658
400
3864.0
4084.7
1488.1
78.42 0.583E+02 0.743E+09
0.2657
500
3815.2
4118.2
1513.7
78.42 0.699E+02 0.891E+09
0.2657
600
3820.1
4242.1
1493.9
78.41 0.815E+02 0.104E+10
0.2657
700
3902.6
4158.3
1495.6
78.42 0.932E+02 0.119E+10
0.2658
800
3911.4
4108.3
1514.2
78.42 0.105E+03 0.134E+10
0.2658
900
3907.6
4050.2
1573.1
78.42 0.116E+03 0.149E+10
0.2658 1000
3936.6
4114.5
1559.6
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------CALCULATED MAX. COLLISION TIME = 190.84 PICOSECONDS.
NUMBER OF NULL COLLISIONS = 1550624723
NUMBER OF REAL COLLISIONS = 100000000
Z DRIFT VELOCITY = 0.7842E+02 MICRONS/NANOSECOND +Y DRIFT VELOCITY = 0.0000E+00 MICRONS/NANOSECOND +X DRIFT VELOCITY = 0.0000E+00 MICRONS/NANOSECOND +-
0.05%
0.00%
0.00%
DIFFUSION IN CM**2/SEC.
TRANSVERSE DIFFUSION
= 0.4026E+04 +9.25%
=
0.1540 EV. +9.25%
= 320.419 MICRONS/CENTIMETER**0.5 +-
4.63%
LONGITUDINAL DIFFUSION = 0.1560E+04 +10.5%
=
0.0597 EV. +10.54%
= 199.437 MICRONS/CENTIMETER**0.5 +-
5.27%
IONISATION RATE /CM.= 0.0000E+00 +/ATTACHMENT RATE /CM.= 0.0000E+00 +/-
MEAN ELECTRON ENERGY =
0.00 PERCENT.
0.00 PERCENT.
0.2658 EV. ERROR =
+-
0.04%
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
NUMBER OF COLLISIONS IN FINAL ENERGY BIN =
0.0
TOTAL COLL. FREQ. = 0.6732E-01 (*10**12)/SEC.
INELASTIC COLL. FREQ. = 0.1533E-01 (*10**12)/SEC.
ELASTIC COLL. FREQ. = 0.5199E-01 (*10**12)/SEC.
----------------------------------------------------------------------------DETAILED COLLISION FREQUENCIES FOR EACH GAS IN UNITS OF 10**12/SEC. :
ARGON 2002 ISOT
------------------
ELASTIC
ARGON
ATTACHMENT
CF4 --2001--------------------
0.3415E-01 +0.0000E+00 +-
0.0140 %
0.0000 %
ELASTIC
CF4
ATTACHMENT
VIB V4
ELOSS= -0.0784
VIB V4 ANIS ELOSS= 0.0784
VIB V1
ELOSS= 0.1126
VIB V3 ANIS ELOSS= 0.1589
VIB 2V3
ELOSS= 0.3178
VIB HARMONIC ELOSS= 0.4767
ISOBUTANE 1999
------------------
0.2343E-02
0.0000E+00
0.8137E-04
0.1149E-02
0.2552E-03
0.1230E-01
0.3218E-06
0.3083E-06
++++++++-
0.0536
0.0000
0.2876
0.0766
0.1624
0.0234
4.5739
4.6727
%
%
%
%
%
%
%
%
0.1549E-01
0.0000E+00
0.3503E-05
0.2018E-04
0.1681E-04
0.6533E-03
++++++-
0.0208
0.0000
1.3864
0.5775
0.6329
0.1015
%
%
%
%
%
%
ELASTIC
ATTACHMENT
VIB
VIB
VIB
VIB
Dennis Terhorst
ISOBUTANE
ELOSS= -0.052
ELOSS= 0.052
ELOSS= -0.108
ELOSS= 0.108
101
ANHANG B. SIMULATION MIT MAGBOLTZ
VIB
ELOSS= 0.173
0.4942E-03 +- 0.1167 %
VIB
ELOSS= 0.363
0.3592E-03 +- 0.1369 %
VIB
ELOSS= 0.519
0.1636E-06 +- 6.4150 %
-----------------------------------------------------------------------------
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
E=
102
NORMALISED ENERGY DISTRIBUTION
0.044
SPEC= 0.195E+00
0.133
SPEC= 0.107E+00
0.221
SPEC= 0.836E-01
0.309
SPEC= 0.973E-01
0.398
SPEC= 0.108E+00
0.486
SPEC= 0.102E+00
0.575
SPEC= 0.875E-01
0.663
SPEC= 0.689E-01
0.751
SPEC= 0.511E-01
0.840
SPEC= 0.359E-01
0.928
SPEC= 0.241E-01
1.016
SPEC= 0.156E-01
1.105
SPEC= 0.964E-02
1.193
SPEC= 0.585E-02
1.282
SPEC= 0.351E-02
1.370
SPEC= 0.207E-02
1.458
SPEC= 0.120E-02
1.547
SPEC= 0.692E-03
1.635
SPEC= 0.389E-03
1.724
SPEC= 0.218E-03
1.812
SPEC= 0.117E-03
1.900
SPEC= 0.591E-04
1.989
SPEC= 0.321E-04
2.077
SPEC= 0.142E-04
2.166
SPEC= 0.626E-05
2.254
SPEC= 0.343E-05
2.342
SPEC= 0.178E-05
2.431
SPEC= 0.123E-05
2.519
SPEC= 0.110E-06
2.607
SPEC= 0.000E+00
2.696
SPEC= 0.000E+00
2.784
SPEC= 0.000E+00
RWTH Aachen
Anhang C
Verzeichnisse
C.1 Abkürzungs- und Akronymverzeichnis
ADC Analog to Digital Converter
CAD Computer Aided Design
CAMAC Computer Automated Measurement And Control
CP Communication Protocol
CPI Communication Protocol Interface
CPIO Communication Protocol Input/Output
CPU Central Processing Unit
CSDA continuous-slowing-down approximation
FADC Flash Analog to Digital Converter
GFK Glasfaserverstärkter Kunststoff
NIM Nuclear Instrumentation Module
PC Personal Computer
PCB Printed Cirquit Board
PCI Peripheral Component Interconnect
PM, PMT Photomultiplier, -tube
QDC Charge to Digital Converter (Charge Sensing ADC)
SMD Surface Mounted Device (Kontaktierungstechnik)
TDC Time to Digital Converter
TPC Time Projection Chamber
USB Universal Serial Bus
VME Versa Module Eurocard
VIA Vertical Interconnect Access (Leiterbahndurchkontaktierung)
Dennis Terhorst
103
C.2 Firmen- und Eigennamen
Bronkhorst Mättig GmbH - Massendurchflussmesser und -regler für Gase und Flüssigkeiten, Druckregler und Verdampfersysteme.
• Bronkhorst Mättig GmbH, Märkische Straße 9-11, 59423 Unna, Deutschland, Tel. +49 (2303)
25057-0, http://www.bronkhorst-maettig.de/
• Bronkhorst High-Tech B.V., Nijverheidsstraat 1A, NL-7261 AK Ruurlo (NL), Tel. +31 573
458800, http://www.bronkhorst.com
CAEN S.p.A. - Equipment for Nuclear and Particle Physics
Via Vetraia 11, 55049 Viareggio (LU), Italien, Tel. +39 0584 388 398, Fax +39 0584 388 959,
http://www.caen.it/nuclear/index.php
iSeg Spezialelektronik GmbH - Hochspannungsgeräte für Industrie und Forschung
Bautzner Landstr. 23, D-01454 Radeberg (OT Rossendorf), Deutschland, Tel. +49 (351) 26996-0,
Fax +49 (351) 26996-21, http://www.iseg-hv.de
Schambeck / SRI Instruments - Flüssigkeits- und Gaschromatographie
• Schambeck SFD GmbH, Rhöndorfer Str. 51, 53604 Bad Honnef, Deutschland, Tel. +49 (2224)
9239-0, Fax +49 (2224) 9239-20, http://www.schambeck-sfd.com
• SRI Instruments, 20720 Earl St., Torrance, CA 90503, USA, Tel. 310-214-5092, Fax 310214-5097, [email protected], http://www.srigc.com
SwagelokR – Fluidsystemtechnologien
http://www.swagelok.de
• B.E.S.T. Fluidsysteme GmbH Düsseldorf (Vertriebs- und Servicezentrum), An der Gümpgesbrücke 26, D-41564 Kaarst-Holzbüttgen, Deutschland, Tel. +49 (2131) 1247830, Fax
+49 (2131) 666523
Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH – Optische Technologien
Arzenbergerstr. 10, D-82211 Herrschin am Ammersee, Deutschland, Tel. +49 (8152) 3750, Fax
+49 (8152) 2658, [email protected], http://www.hamamatsu.de
Würth Elektronik GmbH & Co. KG – Leiterplattenproduzent
Salzstrasse 21, 74676 Niedernhall, Deutschland, Tel. +49 (7940) 946-0, Fax +49 (7940) 946-400,
[email protected], http://www.we-online.de
Saint-Gobain Crystals – Technische Werkstoffe, Szintillatormaterial
• Saint-Gobain Cristaux, 104 Route de Larchant, BP 521 77794 Nemours CEDEX, France
Tel. +33 1 64 45 10 10 Fax +33 1 64 45 10 01 [email protected],
http://www.saint-gobain.com
• Compagnie de Saint-Gobain Zweigniederlassung Deutschland, Viktoriaallee 3-5, D-52066
Aachen, Deutschland, Tel. +49 (241) 516-0 Fax +49 (241) 516-2444, [email protected], http://www.saint-gobain.de
Polytec PT – Polymere Technologien Polytec-Platz 1-7, 76337 Waldbronn, Deutschland, Tel. +49 (7243)
604-400, Fax +49 (7243) 604-420, [email protected], http://www.polytec-pt.de
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RWTH Aachen
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[38] Y. Giomataris. Nuclear Instruments and Methods , A 376, 29, 1996.
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RWTH Aachen
Danksagung
Zunächst möchte ich mich bei Priv.-Doz. Dr. Stefan Roth bedanken, der mir das interessante und vielseitige Thema dieser Diplomarbeit vorgeschlagen hat. Insbesondere gilt mein Dank der hervorragenden
Betreuung und dem von ihm gewährten Freiraum in der Bearbeitung des Themas.
Dr. Karim Laihem danke ich für inspirativen Gespräche und guten Ratschläge die im Verlauf der Arbeit
immer wieder zu neuen Ideen und Ansätzen führten.
Franz Beißel und Eric Bock gilt mein Dank für die geduldige und hilfreiche Unterstützung in allen Fragen zur Elektronik und Elektrotechnik.
Bei Dieter Jahn und den Mitarbeitern der Mechanik-Werkstatt bedanke ich mich für die präzise Fertigung und ihre gute Fachkenntnis beim Bau der Monitorkammer.
Weiterer Dank gilt der Strahlentherapie-Gruppe (insbesondere Sven Lotze, Kathrin Gester und Oxana
Grünwald) für die angenehme Zeit und interessanten Gespräche.
Meinen Korrekturlesern Tobias Volkenhoff und Kathrin Gester danke ich besonders für die ehrliche
Meinung und das gründliche Vorgehen bei der Suche nach übersehenen Fehlern.
Insgesamt möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des III. Physikalischen Instituts für das gute Arbeitsklima und die freundschaftliche Atmosphäre bedanken.
Zuletzt möchte ich meinen Eltern und meiner Schwester danken, die mir dieses Studium ermöglicht und
mich stets unterstützt haben. Ohne diesen Rückhalt wäre diese Arbeit nicht zustande gekommen.
Dennis Terhorst
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Hiermit bestätige ich, dass ich diese Diplomarbeit selbstständig verfasst und keine
außer den angegebenen Hilfsmitteln verwendet habe.
Datum
Unterschrift
