Steuerung und Überwachung einer Zeitprojektionskammer mit GEM-Auslese

Abstract

Für ein tieferes Verständnis der starken Wechselwirkung und des Aufbaus der Nukleonen untersucht das CBELSA/TAPS-Experiment im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 16 "Elektromagnetische Anregung subnuklearer Systeme" das Anregungsspektrum der Baryonen mit Hilfe von Meson-Photoproduktion. <br /> Um das physikalische Programm zu unterstützen und zu erweitern, soll der bestehende Innendetektor in den kommenden Jahren durch eine Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber - TPC) ersetzt werden. Die Möglichkeit, Spuren geladener Teilchen in der TPC mit hoher Präzision in allen drei Raumrichtungen zu rekonstruieren, erlaubt unter anderem den Nachweis von geladenen Reaktionskanälen, die mit dem Crystal-Barrel-Detektor bisher nicht untersucht werden konnten, oder die Bestimmung der Teilchenart aus dem spezifischem Energieverlust. <br /> Ein erster TPC-Prototyp mit GEM-Folien zur Ladungsverstärkung vor der Ausleseebene und den passenden Abmessungen für das CBELSA/TAPS-Experiment wurde in Kollaboration mit der TU München, dem Detektorlabor der GSI in Darmstadt und dem Stefan-Meyer-Institut der Universität Wien gebaut und im Rahmen des FOPI-Experiments an der GSI erfolgreich bei mehreren Strahlzeiten getestet. Zudem wurden systematische Studien an einer kleineren Test-TPC mit Hilfe einer TestBench mit exzellenter externer Spurdefinition durchgeführt. <br /> Da die genaue Kenntnis der Elektronendriftgeschwindigkeit in der TPC für die präzise Rekonstruktion der Teilchenspuren von großer Bedeutung ist, wurden detaillierte Simulationen zur Driftgeschwindigkeit und deren Abhängigkeit von äußeren Parametern, wie Driftspannung, Druck, Gaszusammensetzung oder Temperatur, durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass eine konstante Überwachung der untersuchten Parameter für eine sinnvolle Verwendung der simulierten Driftgeschwindigkeit notwendig ist. <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck, sowie für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der beiden TPCs und der Detektoren auf der TestBench, die dafür notwendige Hardware, eine datenbankbasierte Steuerungssoftware sowie eine graphische Benutzeroberfläche aufgebaut und entwickelt. Mit dieser sogenannten SlowControl konnten bei den durchgeführten Strahlzeiten und Testmessungen zahlreiche Parameter - zum Beispiel Spannungen, Ströme, Gasfluss oder Temperaturen - mit der erforderlichen Genauigkeit gesteuert, überwacht und gespeichert werden. Die SlowControl-GUI zeichnete sich dabei durch eine Darstellung der Messwerte in Echtzeit und eine einfache Bedienbarkeit aus. <br /> Aus den Zeitspektren der mit der GEM-TPC aufgezeichneten Daten konnte zudem die tatsächliche Driftgeschwindigkeit der Elektronen im Driftvolumen extrahiert und mit den theoretischen Vorhersagen der Simulation verglichen werden. Hierdurch konnte der Fehler bei der Rekonstruktion der <i>z</i>-Komponente minimiert und die weitere Analyse der Daten verbessert werden.

<strong>Control and supervision of a Time Projection Chamber with GEM readout</strong><br /> To get a deeper understanding of the structure of nucleons and the strong interaction binding the constituents inside, the CBELSA/TAPS experiment investigates the resonance spectrum of baryons by meson photoproduction within the scope of the SFB/TRR 16 "Subnuclear Structure of Matter". <br /> In order to support and expand the physical program, the existing Inner Detector will be replaced by a Time Projection Chamber (TPC) within the next few years. This allows for the detection of charged reaction channels, which can't be measured with the CBELSA/TAPS experiment up to now, as well as for particle identification from the specific energy loss. <br /> A First prototype with GEM foils for charge amplification in front of the readout plane and suitable size for the CBELSA/TAPS experiment was built in collaboration with the TU Munich, the detector laboratory of the GSI in Darmstadt and the Stefan-Meyer-Institute of the University Vienna. The TPC has been commissioned successfully within the FOPI experiment at the GSI during several test beam campaigns. Additionally, systematic studies have been carried out with a smaller Test-TPC using a TestBench providing an accurate external track definition. <br /> As the electron drift velocity in the TPC volume is a crucial parameter for the exact track reconstruction, detailed simulations of the drift velocity and its dependency on external parameters, such as drift voltage, pressure, gas flow or temperature, have been carried out. The results of these simulations recommend a constant monitoring of all examined parameters to allow a reasonable use of the simulated drift velocities. <br /> For this purpose, and to ensure a safe and stable operation of the TPCs and the other detectors on the TestBench, the required hardware, the control software based on a data base and a graphical user interface were designed and constructed as the main part of this work. With this so-called SlowControl, it was possible to measure, control and store several parameters - e.g. voltages, currents, temperatures or gas flows - with high precision during the beam times and test measurements carried out. The SlowControl- GUI features a good handling and a display of the measured values in real-time. <br /> From the data recorded with the GEM-TPC, the actual drift velocities of the electrons within the detector volume have been extracted and compared with the theoretical predictions of the simulation. Hence, the error in the reconstruction of the <i>z</i> component was minimized thus, improving further analysis of the data.