Eine umfassende Untersuchung der Entladungserzeugungsmechanismen in Micro-Pattern Gas Detektoren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Laura Fabbietti
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420407326

In der ersten Förderperiode haben wir die intrinsischen Stabilitätsgrenzen von GEM-, Thick GEM- und Micromegas-Detektoren bei Bestrahlung mit Alphateilchen untersucht. Die Messungen wurden in Ar- und Ne-Gemischen mit unterschiedlichem CO2-Gehalt durchgeführt, um den Einfluss des Gases auf die Entladungswahrscheinlichkeit und die kritischen Ladungsgrenzen zu untersuchen. Letztere wurden durch den Vergleich der experimentellen Daten mit den Ergebnissen einer Geant4-Simulation bewertet. Die Messungen ermöglichten einen direkten Vergleich zwischen GEMs und THGEMs und erlaubten uns, den Einfluss geometrischer Parameter wie Lochgröße, Pitch und (TH)GEM-Dicke auf die Stabilität einer Struktur und den daraus resultierenden kritischen Ladungswert zu bewerten, der schätzungsweise in einem Bereich von (3-7)106 Elektronen liegt. Überraschenderweise stimmen die Ergebnisse für beide Verstärkungsstrukturen gut überein, trotz der deutlichen geometrischen Unterschiede und der unterschiedlichen elektrischen Feldkonfigurationen innerhalb der GEM- und THGEM-Löcher. Wir stellen fest, dass die Durchbruchsgrenze stark vom Gas abhängt und dass ein höherer Anteil an Quencher in der Mischung nicht unbedingt mit einer höheren Stabilität korreliert. Die mit Micromegas-Detektoren erzielten Ergebnisse bestätigen die beobachtete Gasabhängigkeit der Entladungsstabilität. Darüber hinaus beobachteten wir eine Skalierung der Entladungswahrscheinlichkeit mit dem Drahtabstand, was darauf hindeutet, dass eine Micromegas-Gitterzelle als unabhängige Verstärkungseinheit behandelt werden kann, ähnlich wie ein Loch in einer GEM-Folie. Die Ergebnisse dieser Studien liefern wertvolle Hinweise für die weitere Optimierung von MPGD-Detektoren, insbesondere von Mehrschichtstapeln. Darüber hinaus haben wir die Stabilität von (TH)GEMs, die mit verschiedenen Materialien beschichtet sind, mit Methoden der Entladungslichtspektroskopie untersucht. Wir haben Molybdän-Elektroden identifiziert, die besonders resistent gegen so genannte Sekundärentladungen sind. Die Ergebnisse lieferten bisher kein vollständiges Verständnis aller Entladungsprozesse in MPGDs, aber sie eröffneten neue Perspektiven für die Entwicklung von GEM-basierten Gasdetektoren, die in der Lage sind, extreme Hochspannungseinstellungen ohne Schaden zu überstehen. In diesem Sinne wird im Folgenden eine Fortführung des bisher erfolgreichen Programms vorgeschlagen. Wir planen, Strukturen mit neuen Elektroden und MPGD-Hybridstapeln zu untersuchen, die in zukünftigen TPCs, Trackern oder Photodetektoren eingesetzt werden sollen, die in einer Umgebung mit hoher Strahlungsrate unter extremen Hochspannungseinstellungen betrieben werden müssen, um eine hohe Verstärkung und/oder einen geringen Ionenrückfluss zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen