English Title: Ageing and Performance Studies of the Outer Tracker of the LHCb Detector

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Abstract

Der Outer Tracker ist Teil des Spurfindungssystems des LHCb-Detektors. Er benutzt Driftkammern, um die Spur eines Teilchens zu bestimmen. Die 2,5m langen Straws mit einem Durchmesser von 4,9mm werden im Proportionalmodus betrieben und sollen später die Spur mit einer Einzeltrefferauflösung von 0,2 mm bestimmen. In dieser Arbeit werden im ersten Teil die Betriebseigenschaften des Outer Trackers bestimmt. Dabei werden insbesondere Ortsauflösung und Effizienz untersucht. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit Alterungsstudien.Weder bei einem Test mit Röntgenstrahlen mit einer Energie von 8 keV noch mit hochionisierenden Protonen wurde eine Änderung des Modulverhaltens aufgrund von Alterungseffekten festgestellt. Die Beschleunigungsfaktoren im Vergleich zu LHCb betrugen dabei 8-180 (Anodenstrom >80 nA/cm) in den am stärksten bestrahlten Regionen. Die akkumulierte Ladung betrug bis zu 3C/cm. Bei Alterungsuntersuchungen mit Anodenströmen von weniger als 15 nA/cm (Beschleunigungsfaktor 1) wurde allerdings bei den bereits produzierten Outer Tracker Modulen schon nach wenigen Tagen (1-2 mC/cm) ein deutlicher Verlust der Gasverstärkung gemessen. Diese Alterung hängt von einer Vielzahl von Parametern wie Gasflussgeschwindigkeit oder Driftgasmischung ab und tritt nicht bei Anodenströmen >12 nA/cm auf. Die Alterung wird durch Ausgasung eines im Modul verwendeten Materials verursacht. Untersuchungen ergaben, dass die Ausgasungen wahrscheinlich durch den Epoxidkleber verursacht werden. Durch Spülen und Erwärmen der Module kann die Alterung deutlich reduziert werden, so dass nach derzeitigem Stand die Outer Tracker Module für mehrere Jahre im LHCb Detektor betrieben werden können.

Translation of abstract (English)

The Outer Tracker is part of the LHCb tracking system. It uses drift chamber to measure the track of a particle. The straws have a length of 2.5m and a diameter of 4.9 mm. They are operated in proportional mode and should measure tracks with a precision of 0.2 mm per hit. In the first part, this thesis presents the results of a performance study for the Outer Tracker, focussing on spatial resolution and efficiency. The main part of this thesis deals with aging studies. Neither a test with 8 keV X-rays nor with highly ionising protons showed any change in the module behavior due to aging. The acceleration factors compared to LHCb were 8-180 (anode current >80 nA/cm) in the most irradiated areas. A charge of up to 3 C/cm was accumulated. Aging tests at anode currents below 15 nA/cm (acceleration factor 1) showed a significant gain drop for the already produced modules after only a few days (1-2 mC/cm) of irradiation. The aging depends on several parameters like gas flow velocity or gas mixture. There is no aging for anode currents >12 nA/cm. This aging is an effect of outgassing material used in the module. Tests showed that the outgassing is probably caused by the epoxy adhesive. Flushing and warming the modules reduce the aging significantly. As things are, the Outer Tracker modules can be operated in LHCb for several years.