A GEM based Time Projection Chamber with pixel readout

Abstract

The large number of measured track points and the low material budget make a Time Projection Chamber (TPC) the ideal tracking device for particle flow optimized experiments. A highly segmented readout scheme, based on GEMs (Gas Electron Multipliers) or Micromegas, offers best performance.<br /> The potential of charge collection on the bare pixels of a CMOS chip placed directly underneath a short-spaced triple GEM stack is evaluated in a TPC prototype with 26 cm drift distance. The employed Timepix ASIC features 256x256 pixels with 55μm edge length. These allow for characterization of electron avalanches started by individual primary electrons. Down to small drift distances, where the pitch of the GEM holes (140 μm) becomes dominant, the spatial resolution of this pixel TPC is limited only by single electron diffusion. <br /> For the readout of next generation gaseous detectors, development of an improved ASIC with 65 k pixels, offering simultaneous charge and arrival time measurements with nanosecond accuracy, is pursued.

<strong>Eine GEM basierte Zeitprojektionskammer mit Pixelauslese</strong><br /> Aufgrund der großen Zahl der detektierten Spurpunkte sowie wegen der außerordentlich geringen Materialbelegung ist eine Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber / TPC) der ideale Spurdetektor für Experimente, die das Teilchenflusskonzept verfolgen. Die beste Detektorleistung wird mit einer sehr fein segmentierten Auslesestruktur in Verbindung mit GEMs (engl. Gas Electron Multipliers) oder Micromegas erreicht.<br /> Die direkte Ladungssammlung auf den Pixeln eines CMOS Chips wird mit einem 26 cm langen TPC-Prototypen untersucht. In diesem ist ein Timepix ASIC mit 25x256 Pixeln mit je 55μm Kantenlänge ohne Halbleitersensor direkt unter einem Stapel aus drei GEMs platziert. Die geringe Pixelgröße ermöglicht es, die Strukturen von, durch einzelne Primärelektronen verursachten, Elektronenlawinen aufzulösen. Bis hin zu sehr kleinen Driftdistanzen, bei denen der Abstand der GEM-Löcher (140 μm) limitierend wird, ist die räumliche Auflösung dieser Pixel-TPC nur durch die Diffusion der einzelnen Primärelektronen beschränkt. <br /> Für die Auslese zukünftiger gasbasierter Teilchendetektoren wird die Entwicklung eines verbesserten Mikrochips mit 65 000 Pixeln zur gleichzeitigen Ladungs- und Ankunftszeitmessung voran getrieben.