Microscopic simulation of particle detectors

Abstract

Detailgenaue Computersimulationen sind unverzichtbare Werkzeuge für die Entwicklung und Optimierung moderner Teilchendetektoren. Die Wechselwirkung von Teilchen mit dem sensitiven Medium, die typischerweise zur Ionisierung oder Anregung von Atomen führt, ist von stochastischer Natur. Ebenso ist der Transport der produzierten Photonen und Ladungsträger, welche das beobachtete Signal erzeugen, statistischen Fluktuationen unterworfen. Gemeinsam mit der Ausleseelektronik stellen diese Prozesse - die letztlich von den zugrundeliegenden atomaren Wirkungsquerschnitten bestimmt werden - fundamentale Beschränkungen der erzielbaren Detektorauflösung dar.<br />Herkömmliche Methoden zur Berechnung von Elektronendrift auf der Basis von makroskopischen Transportkoeffizienten liefern eine adäquate Beschreibung für traditionelle Gasdetektoren wie beispielsweise Drahtkammern. Sie sind jedoch ungeeignet für sogenannte "Micropattern" Gasdetektoren, die in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen haben. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Zugang zu Elektronentransportberechnungen in Gasdetektoren vorgestellt, der auf semi-klassischer ("mikroskopischer") Monte-Carlo-Simulation beruht.<br />Als erste Anwendung wird die Simulation von Lawinenfluktuationen diskutiert. Es wird gezeigt, dass die mikroskopische Elektrontransportmethode erstmalig eine quantitative Voraussage der Verteilung des Gasverstärkungsfaktors erlaubt. Weiters wird gezeigt, dass die Lawinenverteilung in ebenen Feldern mittels eines aus der Simulation gewonnenen Toy-Modells intuitiv verstanden werden kann.<br />Stochastische Schwankungen in der Anzahl der entlang einer Primärteilchen-Trajektorie produzierten Elektronen stellen einen weiteren ausschlaggebenden Faktor für die Auflösung und Effizienz eines Detektors dar. Es wird gezeigt, dass die charakteristischen Größen für Primärionisationsfluktuationen, insbesonders der sog. W-Wert und der Fano-Faktor, mittels mikroskopischer Techniken berechnet werden können, sodass diese Parameter nicht länger als freie Variablen in der Simulation behandelt werden müssen.<br />Auf kürzlich erfolgten Arbeiten zur Bestimmung von Penningtransfer-Wahrscheinlichkeiten aufbauend wird der Einfluss von Anregungstransfer auf Primärionisationsfluktuationen und Elektronenlawinenstatistik untersucht und ein Modell zur mikroskopischen Berechnung von Penningeffekten wird vorgeschlagen.<br />"Garfield" ist ein weitverbreitetes Programm zur Simulation von gasbasierten Teilchendetektoren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine objektorientierte Version (Garfield++) dieses Programmpakets erarbeitet, die die oben genannten mikroskopischen Methoden beinhaltet. Die Integration von Halbleiterdetektorsimulation in Garfield++, einschließlich der Anpassung von Algorithmen, Modellierung von Materialeigenschaften und Vergleich mit Messdaten, bildet ein weiteres Thema der Arbeit.<br />

Detailed computer simulations are indispensable tools for the development and optimization of modern particle detectors. The interaction of particles with the sensitive medium, giving rise to ionization or excitation of atoms, is stochastic by its nature. The transport of the resulting photons and charge carriers, which eventually generate the observed signal, is also subject to statistical fluctuations. Together with the readout electronics, these processes - which are ultimately governed by the atomic cross-sections for the respective interactions - pose a fundamental limit to the achievable detector performance.<br />Conventional methods for calculating electron drift lines based on macroscopic transport coefficients used to provide an adequate description for traditional gas-based particle detectors such as wire chambers. However, they are not suitable for small-scale devices such as micropattern gas detectors, which have significantly gained importance in recent years. In this thesis, a novel approach, based on semi-classical ("microscopic") Monte Carlo simulation, is presented.<br />As a first application, the simulation of avalanche fluctuations is discussed. It is shown that the microscopic electron transport method allows, for the first time, a quantitative prediction of gas gain spectra. Further, it is shown that the shape of avalanche size distributions in uniform fields can be understood intuitively in terms of a toy model extracted from the simulation.<br />Stochastic variations in the number of electrons produced along a charged particle track are another determining factor for the resolution and efficiency of a detector. It is shown that the parameters characterizing primary ionization fluctuations, more specifically the so-called W value and the Fano factor, can be calculated accurately using microscopic techniques such that they need no longer be treated as free variables in the simulation.<br />Profiting from recent progress in the determination of Penning transfer probabilities, the influence of excitation transfer on both primary ionization fluctuations and avalanche statistics is examined and a model for the microscopic calculation of Penning effects is proposed.<br />"Garfield" is a widely used program for the simulation of gas-based particle detectors. In the context of this thesis work, an object-oriented version (Garfield++) of this software package was developed which includes the above-mentioned microscopic methods. The integration of semiconductor detectors in Garfield++, comprising the adaptation of algorithms, modelling of material properties and validation against measurements, constitutes a further topic of the thesis.