Gain Calibration of the Upgraded ALICE TPC

Abstract

For the upcoming Run 3 of the LHC at CERN, the interaction rate of lead-lead collisions will be increased to 50kHz . Especially for the main detector of the ALICE experiment, the TPC, this is a major challenge, as its previous readout rate was limited to a few 100Hz. The two main reasons for this limitation were the gas amplification stage and the used readout electronics. Therefore, the gas amplification stage, which was based on a multi-wire proportional chamber, was exchanged with a GEM-based amplification stage. In addition, the readout electronics were also exchanged. With this upgraded setup, a trigger-less operation of the TPC becomes possible, resulting in a continuous readout without dead time. It is therefore well suited to operate at lead-lead interaction rates of 50kHz. <br /> One of the main goals of this work is the calibration of the effective gain of the upgraded ALICE TPC. For this, two different methods were used. The first one is based on an X-ray tube which irradiates the active volume of the TPC, the second one on the gaseous and radioactive isotope ^83mKr, which is injected into the TPC. With the results of these measurements, a coarse gain equalisation could be performed, during which the electric potentials of the GEM stacks were adjusted such that the average gain was equalised. In a further analysis, the relative effective gain for each of the 524160 readout channels was determined in an iterative process. This information is needed to correct software-wise for the static variations of the effective gain (e.g. due to variations of the hole sizes in a GEM foil). After applying this calibration to measured data, one can quantify key parameters of the detector, for example the energy resolution. Furthermore, it is possible to calibrate dynamic variations of the effective gain, which are caused for example by variations of temperature and pressure or by the electrostatic charging-up of the GEM foils. <br /> Understanding the latter effect is the second main goal of this work. In order to analyse the charging-up effect in GEM foils, two approaches were pursued. The first one is an iterative simulation of the effect with the usage of the framework Garfield++, in which electrons and ions can be tracked microscopically. The measurements of the charging-up effect with a dedicated detector is the second approach. Three different measurement methods were used to quantify the charging-up effect. The first one is based on the measurement of electric currents which are induced on the readout plane. The second one relies on the measurement of ⁵⁵Fe spectra with a single GEM, while in the third measurement method, a second amplification stage, a MicroMegas, was added.

Der LHC am CERN wird in der kommenden Betriebsperiode eine Interaktionsrate von Blei-Blei Kollisionen von 50kHz erreichen. Insbesondere für den wichtigsten Detektor des ALICE Experiments, die TPC, stellt dies eine große Herausforderung dar, da die bisherige Ausleserate auf einige 100Hz limitiert war. Die beiden Hauptgründe für die Limitierung waren zum einen die Funktionsweise der Gasverstärkungsstufe und die Ausleseelektronik zum anderen. Daher wurde die Gasverstärkungsstufe, die auf einer Vieldrahtkammer basierte, durch eine GEM-basierte Verstärkungsstufe ersetzt und die Ausleseelektronik wurde ebenfalls ersetzt. Mit diesen Anpassungen kann die TPC nun kontinuierlich betrieben werden und ist damit gerüstet für eine Interaktionsrate von Blei-Blei Kollisionen von 50kHz. <br /> Ein Ziel dieser Arbeit ist die Kalibrierung der effektiven Verstärkung der aufgerüsteten ALICE TPC. Dafür wurden zwei Methoden genutzt. Die erste Methode basiert auf der Bestrahlung des aktiven Volumens durch eine Röntgenröhre, die zweite Methode auf dem gasförmigen und radioaktiven Isotop ^83mKr, welches in die TPC geleitet wird. Mit den Ergebnissen der Messungen wurde zunächst eine grobe Kalibrierung der einzelnen Auslesekammern der TPC vorgenommen. Dabei wurde die durchschnittliche Verstärkung der einzelnen Auslesekammern aneinander angepasst. In einem nächsten Schritt wurde dann die relative Verstärkung für jeden der 524160 Auslesekanäle in einem iterativen Prozess ermittelt. Diese Information wird benötigt um die statischen Variationen der Verstärkung (z.B. durch Variation der Lochdurchmesser innerhalb der GEM-Folien) softwareseitig zu korrigieren. Wendet man nun die Kalibrierung auf die gemessenen Daten an, so kann man Aussagen über wichtige Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Energieauflösung, treffen. Des Weiteren können mit den durchgeführten Messungen dynamische Variationen der effektiven Verstärkung kalibriert werden, zum Beispiel durch Änderung von Druck und Temperatur, aber auch durch elektrostatische Aufladungseffekte in GEM-Folien. <br /> Der letztgenannte Effekt bildet den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit. Der Aufladungseffekten in GEM-Folien wurde mit zwei verschiedenen Ansätzen untersucht. Der erste Ansatz ist die iterative Simulation des Effekts mit Hilfe des Frameworks Garfield++, mit dem die Bewegungen von Elektronen und Ionen mikroskopisch analysiert wurden. Die Vermessung des Effekts mit einem eigens dafür aufgebauten Detektor bildet den zweiten Ansatz. Hier wurden drei unterschiedliche Messmethoden genutzt, um den Aufladungseffekt zu untersuchen. Die erste Methode basiert auf der Messung von elektrischen Strömen, die auf der Auslesefläche induziert werden, die zweite Methode auf der Messung von ⁵⁵Fe Spektren, die mit einer einzelnen GEM-Folie aufgenommen wurden, und die dritte Methode ebenfalls auf der Vermessung von 55Fe Spektren, dieses Mal jedoch mit einer zusätzlichen Verstärkungsstufe, einer MicroMegas.