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Measurements of ion mobility and GEM discharge studies for the upgrade of the ALICE time projection chamber

Deisting, Alexander

German Title: Ionenmobilitätsmessungen und GEM Entladungsstudien für die Umrüstung der ALICE Zeit- projektionskammer

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ALICE is one of the four experiments at the Large Hadron Collider (LHC). The quark-gluon plasma, which is predominantly produced in lead-lead collisions at LHC, is of particular interest for ALICE. After the long shut-down 2 (2019-2021) the LHC will provide lead-lead collisions at an increased interaction rate of 50 kHz. In order to examine every event at this interaction rate the ALICE Time Projection Chamber (TPC) needs to be upgraded. The TPC’s ReadOut Chambers (ROCs) are currently multi-wire proportional chambers. To prevent space charge build-up of slow ions, drifting from the ROCs into the TPC, a gating grid is used. The corresponding closure time imposes a dead time on the TPC read out, which prohibits data taking at a readout rate higher than 3 kHz. New ROCs have therefore been designed, relying on stacks of Gas Electron Multiplier (GEM) foils for the gas amplification, allowing for continuous readout. With the new ROCs, a certain fraction of ions will be drifting at all time into the TPC. Knowing the exact ion mobility in the counting gas is thus required in order to determine which amount of ion-back drift is tolerable. In this work we study the ion mobility in Ne-CO2-N2 (90-10-5), which is the gas mixture for the upgraded TPC, as well in several other argon- and neon-based mixtures. During stability studies for the new ROCs the phenomenon of secondary discharges has been observed. We thus also study discharges in GEM stacks and provide a detailed investigation of secondary discharges.

Translation of abstract (German)

ALICE wurde entwickelt um das Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen. Dieser Zustand von Materie wird z.B. in Blei-Blei Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC), produziert. Ab dem Jahre 2021 wird der LHC Bleikerne mit einer Rate von 50 kHz zur Kollision bringen. Um alle Kollisionen bei dieser Rate aufzuzeichnen zu können, muss der ALICE Detektor verbessert werden. Die ALICE Zeitprojektionskammer wird mit Vieldraht Proportional Kammern ausgelesen. Diese Kammern verfügen über eine Drahtebene mit variablem Potential, die je nach Potential für geladenen Teilchen trans- parent oder intransparent ist. Somit können Ionen, die während der Elektronenverstärkung entstehen, daran gehindert werden in das Detektionsvolumen der Zeitprojektionskammer zu driften. Würden diese Ionen das Detektionsvolumen erreichen, entsteht eine Raumladung, die es nicht erlaubt Teilchenspuren mit der nötigen Präzision zu rekonstruieren. Die Zeit, in der die Vieldraht Proportional Kammern für Ladungsträger geschlossen sind, erlaubt im Falle der ALICE Zeitprojektionskammer eine Ausleserate von höchstens 3 kHz. Aus diesem Grund wurden neue Auslesekammern entwickelt die Gas Electron Multiplier (GEM) Folien zur Elektronenverstärkung benutzten und somit eine kontinuierliche Datennahme erlauben. Wir haben die Mobilität von Ionen in Ne-CO2-N2 (90-10-5), dem Zählgas der Zeitprojektionskammer, gemessen. Mit dieser Mobilität kann berechnet werden, welcher Prozentsatz der in den Auslesekammern produzierten Ionen in die Zeitprojektionskammer driften kann, bevor die Raumladung zu groß wird. Weiterhin haben wir Gasentladungen in GEM Folien und zwischen GEMs in GEM Stapeln untersucht. Dabei war die Beobachtung von Sekundären Entladungen von besonderem Interesse, die mit einer gewissen Häufigkeit auf eine Entladung in einer GEM folgen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Masciocchi, Prof. Dr. Silvia
Date of thesis defense: 7 February 2018
Date Deposited: 20 Feb 2018 09:43
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: ALICE, Teilchendetektor, Spurenkammer, Entladung
Uncontrolled Keywords: Ionenmobilität
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