Title: GEM - a novel gaseous particle detector
Language: English
Authors: Meinschad, Thomas 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Fabjan, Christian W.
Assisting Advisor: Mantler, Michael
Issue Date: 2005
Number of Pages: 115
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion von Gasdetektor-Prototypen, die sogenannte GEM-Elektroden (Gas Elektron Vervielfacher) verwenden, um die von ionisierenden Teilchen im Gas produzierte Ladung zu verstärken und detektierbar zu machen. Eine GEM-Elektrode besteht aus einer zweifach mit Kupfer beschichteten Kaptonfolie, in die kleine Löcher (typischerweise 50-100mm-2 mit einem Durchmesser von 50m) geätzt werden. Diese Löcher wirken bei Anlegen einer Potentialdifferenz (~400V) als voneinander unabhänige Proportionalzähler. Mit Hilfe dieser neuen Verstärkereinheit können Gasverstärkungsfaktoren in der Grössenordung von 106 erreicht werden, wenn man mehrere GEM-Folien in einer Kaskade zusammenfasst.
Im speziellen wird in dieser Arbeit erforscht, ob die GEM-Technologie auf RICH (Ring Imaging Cherenkov) Detektoren angewandt werden kann. In derartigen Teilchendetektoren werden Photokathoden verwendet um die von geladenen hochenergetischen Teilchen erzeugten Cherenkov Lichtringe abzubilden. Damit können die Teilchen identifiziert und unterschieden werden.
Um die einzelnen UV-Photonen effizient nachweisen zu können gibt es mehrere Möglichkeiten. Die kostenintensivste ist die Photonen mit einer Matrix aus einzelnen Photokathoden (PMTs oder HPDs) zu messen.
Photosensitive Gase (TAE, TMAE) mit hoher Quanteneffizienz sind billiger aber umständlich in der Verwendung. Derartige Gase beschränken ausserdem aufgrund der geringeren Driftgeschwindigkeit die Hochratenkapazität der dementsprechenden Photodetektoren.
Aufgrunddessen wurde ein photosensitives Material entwickelt, das es erlaubt grossflächige Photokathoden zu bauen - Cäsiumiodid (CsI).
Bedampft man die segmentierte Kathode einer Vieldrahtkammer mit CsI, dann hat man eine grossflächige Photokathode zur Verfügung mit der Cherenkov Photonen nachgewiesen und eindeutig unterscheiden werden können (multi-hit capability).
In den hier präsentierten Detektor-Prototypen wurde CsI auf den ersten Gold überzogenen GEM einer Kaskade von drei oder vier, aufgedampft. Auf diese Weise erreicht man eine effiziente und schnelle Photon-Detektierung mit einer ausgezeichneten Ortsauflösung. Koppelt man die Verstärkungskaskade an ein neuartiges Ausleseboard, das unter dem Name HEXABOARD bekannt ist, dann ist eine eindeutige Rekonstruktion der Photonentreffer möglich, Das Ausleseboard besteht aus einer Matrix aus hexagonalen Feldern, die abwechselnd mit den Auslesekanälen dreier Projektionen verbunden sind. Dieser Umstand ermöglicht eine eindeutige Rekonstruktion der Photonentreffer.
Die hohen erreichbaren Gasverstärkungsfaktoren zusammen mit einer starken Unterdrückung des Photon- und Ionen-Feedbacks machen die GEM-Technologie interessant für RICH-Anwendungen. Ausserdem werden die Probleme der Vieldrahtkammern beseitigt (begrenzte Ortsauflösung, beschränkte Hochratenkapazität).

The work carried out within the framework of this PHD deals with the construction of gaseous prototype detectors using Gas Electron Multiplier electrodes for the amplification of charges released by ionizing particles.
The Gas Electron Multiplier (GEM) is a thin metal-clad polymer foil, etched with a high density of narrow holes, typically 50-100mm-2. On the application of a potential difference between the conductive top and bottom sides each hole acts as independent proportional counter. This new fast device permits to reach large amplification factors at high rates with a strong photon and ion-mediated feedback suppression due to the avalanche confinement in the GEM-holes. Here, in particular studies have been performed, which should prove, that the GEM-technology is applicable for an efficient measurement of single Cherenkov photons. These UV-photons can be detected in different ways. An elegant solution to develop large area RICH-detectors is to evaporate a pad-segmented readout-cathode of a multi-wire proportional chamber with a thin layer of CsI (typically 300nm). This approach has advantages compared to other possibilities of detecting Cherenkov photons (e.g.: photosensitive gases, arrays of PMTs or HPDs).
The subject of this thesis was the investigation of GEM-detectors with respect to RICH applications. The work contained the construction process of photon detectors based on the novel GEM-technology by using CsI as a photon converter. These detectors permit to efficiently record and localize single photoelectrons.
The first Au-plated GEM, in a cascade of three or four, was coated with a photosensitive layer, to provide efficient and fast single photon detection, with excellent position resolution. General performances of a CsI-coated multi-GEM detector are described as well as the novel readout method, which is achieved by the so called HEXABOARD. This board consists of a matrix of interconnected hexagonal pads that permit an ambiguity-free reconstruction of multi-photon events, which is an essential requirement for RICH applications. Each single channel is connected to charge sensitive preamplifier (HARP-type) and afterwards to the ALTRO FEE, which is based on the ALTRO chip developed for the ALICE experiment. The recorded analog signals are digitized by 10 bit ADC with a 25MHz sampling rate.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-20834
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13898
Library ID: AC04638372
Organisation: E141 - Atominstitut der Österreichischen Universitäten 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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