Ageing tests with Gas Electron Multipliers for the ALICE TPC Upgrade

  • During RUN3 (2021-2023) of the Large Hadron Collider, the Time Projection Chamber (TPC) of ALICE will be operated with quadruple stacks of Gas Electron Multipliers (GEMs). This technology will allow to overcome the rate limitation due to the gated operation of the Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs) used in RUN1 (2009-2013) and RUN2 (2015-2018). As part of the Upgrade project, long-term irradiation tests, so called "ageing tests", have been carried out. A test setup with a detector using a quadruple stack of 10x10cm2 GEMs was built and operated in Ar-CO2 and Ne-CO2-N2 gas mixtures. The detector performance such as gas gain and energy resolution were monitored continuously. In addition, outgassing tests of materials used for the assembly process of the upgraded TPC were performed. To reach the expected dose of the GEM-based TPC, the detector was operated at much higher gains than the TPC. It was found, that the GEMs could keep their performance within the projected lifetime of the TPC. Most of the tested materials showed no negative impact on the detector. For the tested epoxy adhesive no certain conclusion could be drawn. At much higher doses than expected for the upgraded TPC, a new phenomenon was observed, which changed the hole geometry of the GEMs and led to a degradation of the energy resolution. Even though its occurrence is not expected during the lifetime of the GEM-based TPC, simulations were carried out to study this effect more systematically. The simulations confirmed, that a change of the hole geometries of the GEMs, lead to an increase of the local gain variation, which results in a decrease of the energy resolution. Furthermore the effect of methane as quench gas on GEMs was studied, even though this gas is not foreseen to be used in the TPC. From ageing tests with single-wire proportional counters it is well known that hydrocarbons are produced in the plasma of the avalanches, which cover the electrodes and lead to a degradation of the detector performance. Even though GEMs have a quite different geometry, the ageing tests showed, that also this technology tends to methane-induced ageing. A loss of gas gain as well as a degradation of the energy resolution due to deposits on the electrodes was monitored. A qualitative and quantitative comparison between ageing in GEMs and proportional counters was performed.
  • Für den Umbau der Spurendriftkammer des ALICE Experiments am CERN wurden Langzeitstudien über das Verhalten von Gas-Elektronen-Vervielfachern unter hoher Bestrahlung vorgenommen. Dafür wurde ein Messstand mit einem Detektor bestehend aus vier Lagen dieser Verstärkungsfolien aufgebaut und in Ar-CO2 und Ne-CO2-N2 Gasmischungen betrieben. Es wurde untersucht, ob der Detektor nach einem Ladungsäquivalent von 10 Jahren, sowohl die Gasverstärkung, als auch die Energieauflösung beibehält. Desweiteren wurden Materialien, die für den Umbau benötigt werden, auf etwaige Ausgasungseffekte und daraus folgenden Auswirkungen auf den Detektor untersucht. Die Studien zeigten, dass der Detektor einen Betrieb unter einer viel höheren Gasverstärkung ohne Leistungseinbußen aushält. Die getesten Materialien zeigten keine negativen Auswirkungen auf die Detektoreigenschaften. Für den getesteten Kleber konnte keine endgültige Schlussfolgerung gezogen werden. Ein bis dahin unbekanntes Phänomen wurde bei dem Betrieb unter sehr hoher Gasverstärkung entdeckt. Die Geometrie der Löcher in den Verstärkungsfolien änderte sich nach intensiver Bestrahlung, was zu einem dramatischen Verlust der Energieauflösung führte. Um dies genauer zu untersuchen wurden Simulationen mit der Garfield++ Software durchgeführt. Es konnte herausgefunden werden, dass eine Änderung der Lochgeometrien in mehreren Folien zu einem Anstieg der lokalen Verstärkungsvariationen führt, was in einem Verlust der Energieauflösung resultiert. Da dieser Effekt bei sehr viel höheren Gasverstärkungen und deponierten Ladungsmengen, als während des Betriebs der Spurendriftkammer, auftritt, ist dieses Phänomen innerhalb deren Lebensdauer nicht relevant. Zuletzt wurden noch Messungen in einer Ar-CH4 Gasmischungen durchgeführt. Diese zeigten einen sehr schnellen und drastischen Effekt auf die Detektoreigenschaften. Ein Abfall der Verstärkung und eine Verschlechterung der Energieauflösung wurden beobachtet. Wie bereits aus Alterungsprozessen von Vieldrahtkammern, die in Methangasen betrieben wurden, bekannt ist, bildeten sich Ablagerungen auf den Elektroden. Ein Vergleich der Alterungsraten von Proportionalzählrohren, Drahtkammern und Gas-Elektronen-Vervielfachern konnte angefertigt werden.

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Metadaten
Author:Michael Jung
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-581128
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Harald AppelshäuserGND, Christoph BlumeORCiDGND
Advisor:Harald Appelshäuser
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/02/18
Date of first Publication:2021/02/18
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2019/05/15
Release Date:2021/02/18
Tag:ALICE; GEM; TPC
Page Number:111
HeBIS-PPN:476595436
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
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