Ion space-charge effects in multi-GEM detectors : challenges and possible solutions for future applications

Abstract

Gas-Elektronen-Verfielfacher-Detektoren (engl. Gaseous Electron Multiplier, GEM) können selbst während der Bestrahlung mit hohen Teilchenflüssen und mit hoher Signalverstärkung stabil betrieben werden. Mit dieser Arbeit werden zwei Ziele verfolgt: die operativen Limitierungen der Detektoren durch Raumladungseffekte wurden untersucht, sowie Möglichkeiten entwickelt, um das Ausmaß dieser Effekte zu reduzieren und damit diese Limitierungen zu erhöhen. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit einer ausführlichen Studie über die operativen Limitierungen von Triple-GEM-Detektoren unter Bestrahlung mit hohen Flüssen weicher Röntgenstrahlung oder im Betrieb mit hoher Signalverstärkung. Das Verhalten der effektiven Signalverstärkung, des Ionen-Rückflusses und der Impulshöhenspektren wird durch die Bewegung und Ansammlung positiver Ionen im Detektorvolumen erklärt, welches zu einer Verzerrung der Transfer- und Verstärkungsfelder führt. Numerische Berechnungen sowie Messungen an einstufigen und zweistufigen Detektoren bestätigen die Modellierung der beobachteten Effekte. Eine Diskussion über verschiedene Möglichkeiten, um diese Limitierungen zu umgehen, schließt den ersten Teil der Arbeit ab. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Verwendung von Graphen zur Unterdrückung des Ionenrückflusses in gasgefüllten Detektoren untersucht. Graphen besteht aus einer mono-atomaren Lage von Kohlenstoffatomen, die in einer wabenförmigen Struktur angeordnet sind. Eine starke Asymmetrie im Transport von Elektronen und Ionen durch Graphen wurde bereits in zahlreichen Publikation nachgewiesen. Es werden Techniken zur Produktion der in Löchern von mehreren zehn Mikrometern Durchmesser aufgespannten Schichten aus freitragendem Graphen vorgestellt, sowie Methoden zur Messungen der Transporteigenschaften von Elektronen und Ionen durch die Graphenproben erläutert. Die erzielten Resultate werden mit Augenmerk auf die Probleme durch Mikrofrakturen in den Graphenproben präsentiert. Diskussionen über Möglichkeiten zur Verbesserung der Probenqualität und ein Ausblick auf weitere Studien finden sich am Ende der Arbeit.

Gaseous Electron Multiplier (GEM) detectors are well known both for stable operation under irradiation with high particle fluxes and high achievable effective gains. The aim of this thesis is two-fold: to investigate the limits of GEM detector operation due to space-charge effects, and to develop a means to reduce the magnitude of the observed effects and thus extend those limitations. The first part of the thesis presents a comprehensive study of the intrinsic limits of triple-GEM detectors under exposure to very high fluxes of soft X-rays or operation at very large effective gains. The behaviour of the effective gain, ion back-flow and the pulse-height spectra is explained in terms of the movement and accumulation of positive ions throughout the detector volume, resulting in distortions of the transfer and amplification fields. Numerical computations, and measurements on double-stage and single-stage detectors confirm the model describing the observed effects. Discussions on ways to extend the limits of gaseous detectors conclude the first part. In the second part of the thesis the use of graphene to eliminate the ion back-flow into the conversion volumes of gaseous detectors is investigated. Graphene is a single layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice, with a reported strong asymmetry in transmission of low energetic electrons and ions. The techniques to achieve graphene layers, freely suspended in holes of several tens of micrometres diameter, are described, as well as the methods to measure the charge transfer properties through the graphene samples. Results on the electron and ion transparency of graphene in gaseous detectors are presented, with special attention to the challenges arising from detects in the graphene layers. Discussions on ways to improve the layer quality and an outlook on further studies are found at the end of this work.