TPC-Entwicklung

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Stefan Roth

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Time Projection Chamber (TPC)

Rekonstruktion eines TPC Ereignisses RWTH Rekonstruktion eines TPC Ereignisses

In der Hochenergiephysik wird als Zeitprojektionskammer (TPC) ein Teilchen-Detektor bezeichnet, der die vollständige Spur-Information eines geladenen Teilchen beim Durchqueren einer mit Gas gefüllten Spurkammer auflöst. Mit Hilfe einer schnellen Ausleseelektronik wird es möglich, sowohl eine 3D-Rekonstruktion der Teilchenspur als auch eine Teilchenidentifikation in einem Umfeld mit einer hohen Spurdichte durchzuführen. Wenn ein geladenes Teilchen durch das Detektorgas fliegt, produziert es entlang seiner Flugstrecke primäre Ionisationsladung. Aufgrund eines homogenen elektrischen Feldes in z-Richtung, driften die Elektronen der Primärionisation mit einer konstanten Geschwindigkeit zu einer segmentierten Anodenplatte, wo sie gesammelt werden. So entsteht einem ersten Schritt eine 2D-Projektion (XY) der 3D Teilchenbahn (XYZ) . Die fehlende z-Koordinate wird durch die Messung der Driftzeit bestimmt, die die Elektronen benötigen, um zur Anode zu gelangen. Oft arbeitet die TPC innerhalb eines Magnetfelds, das meistens parallel zum elektrischen Feld verläuft. Dies reduziert die Diffusion der Elektronen bei ihrer Drift zur Anode und verbessert so die Ortsauflösung. Weiterhin lässt sich so der Impuls der Teilchen aus der Krümmung der 2D-Projektion bestimmen.

 

TPC Auslese

Micromegas RWTH

Die TPC Auslese muss zwei Hauptanforderungen erfüllen. Eine schnelle Elektronik und eine hohe Granularität ermöglichen eine optimierte Teilchenidentifikation insbesondere in einem Umfeld mit hoher Spurendichte. Historisch wurden Standard-Drahtkammern zur TPC-Auslese verwendet. In den letzten zehn Jahren konzentrierte sich die Forschung und Entwicklung der TPC -Detektoren auf die neu entwickelten Micro Patter Gas Detectors. Die zwei Hauptarten, Gas Electron Multiplier (GEM) und MICRO MEsh GASeous detectors (Micromegas) wurden von unserer Arbeitsgruppe untersucht. GEMs sind beidseitig metallisierte dünne Folien, in die viele kleine Löchern geätzt sind. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an den metallisierten Seiten wird ein großes elektrisches Feldes im Lochbereich erzeugt, das zur Gasverstärkung des Elektronensignals führt. Ein Micromegas besitzt einen nur 50 bis 100 µm großen Verstärkungsbereich, der zwischen einem dünnen, auf vielen kleinen Stützen liegenden Metallgitter und der Ebene der Anodenauslese liegt.

 

Gasmonitorkammer

Innenansicht der Gasmonitorkammer RWTH Innenansicht der Gasmonitorkammer

Eine Gasmonitorkammer arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie eine TPC im Hinblick auf Ionisation, Elektronendrift in einem statischen elektrischen Feld und Gasverstärkung. Sie ist jedoch weder geeignet Spuren zu rekonstruieren noch Teilchen zu identifizieren. Die Hauptaufgabe einer solchen Kammer besteht darin, die Eigenschaften des Gases, das einer großvolumigen TPC zugeführt wird, zu überwachen. Diese Monitorkammer verwendet einen Feldkäfig, in das Gas aus der gleichen Gasleitung, die auch die großen TPC speist, eingeleitet wird. Zwei wichtige Parameter, die Driftgeschwindigkeit und die Größe der Gasverstärkung, können mit der Monitorkammer bestimmt werden. Diese beiden Parameter werden dann zur Kalibration der großen TPC verwendet. Die Driftgeschwindigkeit wird für die Rekonstruktion der z-Komponente der Spur verwendet. Die Gasverstärkung wird bei der Kalibration der Algorithmen zur Teilchendentifikation verwendet.

Ein System von Gasmonitorkammern ist ein Beitrag des Instituts zum T2K-experiment und wird dort seit Jahren erfolgreich betrieben.

 

Universelle Gasmischanlage

Universelle Gasmischanlage Peter Winandy Vollständig automatisierte "Universelle GasMischAnlage (UGMA)".

Kürzlich wurde ein Gasmischsystem entwickelt und aufgebaut, das in der Lage ist, mit einer Genauigkeit von besser als 0,1% Vol. unabhängige Gase zu mischen. Zur gleichen Zeit kann es Driftkammern mit einem definierten Fluss und Druck versorgen. Das System ist computergesteuert und kann ohne manuelle Interaktion für Wochen arbeiten. Die Qualität des Gases kann unter Verwendung eines Gaschromatographen und spezielle Geräte für die Kontrolle der Verunreinigung durch H2O und O2 überwacht werden. Für beides existieren optional zuschaltbare Filter, um diese Verunreinigungen aus dem Gasstrom zu entfernen. Zusätzlich zu den Regelalgorithmen werden Alarme und Interlocks gesetzt, um den angeschlossenen Detektor, z.B. eine TPC, vor unsicheren Bedingungen zu schützen. Während mehrerer Bachelor und Masterarbeiten wurden verschiedene Eigenschaften von Gasen untersucht. In Kombination mit dem Universal-Gasmischsystem wurde eine Datenbank eingerichtet, um die Ergebnisse zu speichern und mit der entsprechenden Simulation zu vergleichen.

 

Eine TPC für den ILC (International Linear Collider)

Der nächste große Teilchenphysik Beschleuniger, der nach dem LHC am CERN gebaut wird, ist der International Linear Collider (ILC). Er vereint die Anstrengungen der ehemaligen regionalen Linearbeschleuniger Anstrengungen JLC (Japan), NLC (USA), und TESLA (Europa). Dieser Elektron-Positron-Linearbeschleuniger wird eine Schwerpunkts-Energie von bis zu 800 GeV realisieren. Seine Beschleunigungs-Technologie wird auf dem für TESLA bei DESY entwickelten supraleitenden Design basieren. Details finden Sie im TESLA Technical Design Report.

Unser F&E-Projekt im III. Physikalisches Institut konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuen Auslesesystem für die zentrale Tracking-Kammer des Detektors an diesem Collider. Eine wahrscheinliche Wahl für den Tracker ist eine Zeitprojektionskammer (TPC). Wir untersuchen das Auslesen auf Basis von Gasverstärkung in GEM Folien (Gaselektronenvervielfacher).

Die Projekt-Webseite finden Sie hier .