Dissertation/Thesis Abstract

Characterization of the ATLAS-Type Micromegas Detectors
by Sidiropoulou, Ourania, Ph.D., Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany), 2018, 207; 11005630
Abstract (Summary)

Micromegas-Detektoren sind Gas-Detektoren aus der Familie der Parallel-Platten-Detektoren mit sehr feinen Auslese-Elementen, die präzise und effizient bei hohen Teilchenraten messen können. Sie unterscheiden sich von anderen Gas-Detektoren dadurch, dass der Bereich, in dem die zu messenden Teilchen das Gas ionisieren und damit Elektronen produzieren, von dem Bereich, in dem diese Elektronen vervielfältigt werden, durch ein feines metallisches Gitter getrennt ist. Im Ionisationsbereich der gewöhnlich mehrere mm dick ist, wird ein moderates elektrisches Feld von einigen hundert Volt angelegt. Der Vervielfachungs- oder Verstärkungsbereich mit einem homogenen elektrischen Feld von $\sim$40--50 kV/cm ist nur 100--150 $\upmu$m dick. Dadurch können die positiven Ionen, die im Vervielfältigungsprozess entstehen, schnell abgeleitet werden und der Aufbau von Raumladung bei hohen Teilchenraten wird begrenzt. Ein kritisches Element der Micromegas Detektoren sind spontane Entladungen in dem starken elektrischen Feld und dem sehr dünnen Verstärkungsbereich. Diese Problem wurde 2011 durch die Einführung einer Schutzschicht gelöst. Diese besteht aus einer dünnen Isolationsschicht über den Auslesestreifen, auf die Widerstandsstreifen aufgebracht werden.

Micromegas-Detektoren mit Widerstandsschutz wurden für die Instrumentierung der ersten Station des ATLAS Myon-Systems in Vorwärtsrichtung (NSW) als Mess- und Auslöse-Instrumente für den Betrieb des Large Hadron Colliders (LHC) bei höherer Luminosität (HL-LHC, ab 2020) gewählt.

Das Ziel dieser Arbeit ist: 1. die Messung der Eigenschaften der ersten Micromegas NSW Prototypen; 2. die Untersuchung der Eigenschaften des Materials, das für die Widerstandsstreifen benutzt wird; und 3. die Bestimmung des Einflusses der Gitter-Abstandshalter (pillars) auf die Eigenschaften des Detektors.

Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung, die den LHC und das ATLAS Projekt vorstellt, gefolgt von einem Kapitel, das erklärt, warum die jetzt installierten Myon-Detektoren ersetzt werden müssen, um bei einer konsequenten Erhöhung der LHC-Luminosität nicht an Messgenauigkeit zu verlieren. Es zeigt dann wie die neue Myon Station, das New Small Wheel (NSW), aussehen wird.

Im ersten der Hauptkapitel werden der Bau und die Untersuchung der ersten beiden Prototypen für die NSW Detektoren beschrieben. Diese Detektoren (MMSW) bestehen aus vier Messlagen und haben die gleiche mechanische Struktur wie die NSW Detektoren. Sowohl die mechanische Präzision als auch die Homogenität der Signale über den gesamten Detektor und die Teilchen-Nachweiswahrscheinlichkeit werden diskutiert. Letztere wurden mit Röntgenstrahlen und Teilchen aus der kosmischen Strahlung gemessen. Die Ortsauflösung wurde am MAMI Beschleuniger in Mainz mit nieder energetischen Elektronen gemessen.

Das Kapitel wird komplettiert durch einen Abschnitt, der die erfolgreiche Integration eines Datenerfassungssystems für die MMSW Detektoren in das offizielle ATLAS Datenerfassungssystem beschreibt. Solch ein System wurde für die ursprünglich geplante Installation eines der MMSW Detektoren in ATLAS gebraucht.

Danach wird die Untersuchung der Eigenschaften der Widerstandsstreifen präsentiert, insbesondere deren Abhängigkeit von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit, sowie ihr Langzeitverhalten. Dafür wurden die Streifen einem Stromfluss ausgesetzt der 100 Jahren Betrieb im LHC entspricht, zum anderen einer Gamma Strahlendosis ausgesetzt, wie sie bei einem 10-jährigen LHC Betrieb erwartet wird.

Im dritten Teil folgt eine ausführliche Studie des Einflusses der Gitter-Abstands-halter (pillars) auf die Ortsauflösung und die Nachweiswahrscheinlichkeit. Diese Studie wurde mit einem 10 $\times$ 10 cm$^2$ großen Micromegas Detektor mit zwei verschiedenen Abstandshalterformen sowohl mit 5.9 keV Gamma-Strahlen von einer $^{55}$Fe Quelle, als auch mit 8 keV Photonen aus einer Röntgen-Quelle durchgeführt. In diesem Zusammenhang wird auch die elektrostatische Aufladung des Detektors diskutiert.

Im Anhang findet sich eine Zusammenfassung der physikalischen Grundlagen, die für Gasdetektoren relevant sind, sowie zusätzliches Material zu den oben beschriebenen Kapiteln.

Indexing (document details)
Advisor: Trefzger, Thomas, Biebel, Otmar, Porod, Werner
Commitee:
School: Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Particle physics
Keywords: Micromegas
Publication Number: 11005630
ISBN: 9781392681541
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