GEM-TPC detectors for Super-FRS at FAIR

Various experiments and measurements in the field of natural sciences have given us a great body of information about structure of matter and the evolution of the Universe. Though the increase in knowledge in these fields has been remarkable, further studies are required to answer the questions that have arisen. In the fields of nuclear structure and astrophysics, central questions concern the processes which lead to production of the chemical elements. It is assumed that the elements heavier than iron originate from collapsing stars or stellar collisions, the process depending on the nuclear forces and symmetries in the rare isotopes. Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions (NUSTAR) collaboration in the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) will utilize the intensive secondary beams from Superconducting Fragment Separator (Super-FRS) to investigate the processes leading to production of the elements. The secondary beams are produced by accelerating and colliding ions up to Uranium into a target, and then by steering the secondary particles that are produced in the collision through the Super-FRS. The Super-FRS separates the desired isotopes from other secondary particles and steers them to the experiments. The first part of this thesis describes a detector that can be used as a beam monitoring detector in the Super-FRS. The detector is a novel concept, combining the best parts of two gas filled detector types, Time Projection Chamber (TPC) and Gas Electron Multiplier (GEM). The TPC part is based on the knowledge obtained on the TPC-detectors that are in use in the current fragment separator of GSI-facility, the predecessor of the FAIR-facility. The addition of GEM-detector as an amplification stage, in addition to adjustment of the amplification, it will reduce the ion feedback that impair the resolution and the efficiency of the standard TPC-detectors. The second part focuses on the GEM-amplification part. In the harsh environment of the Super-FRS, the detectors that will be installed have to be well defined and manufactured from high quality components. Because of these reasons, an optical scanning system was developed to support the quality assurance chain that is needed in the manufacturing of the GEM-detectors. The system was also used in the endeavors to understand the processes that lead to possible breakdown of the detectors. In addition of the breakdown, studies of recovering broken detector components were initiated.Eri luonnontieteiden osa-alueet ovat pyrkineet tutkimaan ja selittämään aineen rakennetta ja maailmankaikkeuden kehitystä. Vaikkakin edistys näillä alueilla on ollut valtavaa, lisätutkimuksia tarvitaan, jotta kyetään lisäämään tietämystä puuttuvista yksityiskohdista. Ydinfysiikan ja ydinastrofysiikan aloilla yhtenä merkittävää kysymyksenä on aineen, erityisesti alkuaineiden muodostuminen. Nykytietämyksen mukaan kaikki rautaa raskaammat alkuaineet syntyvät raskaiden tähtien elinkaaren loppupuolella tähtien romahtaessa tai niiden törmätessä toisiinsa. Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions (NUSTAR) kollaboraatio tulee tutkimaan FAIR-tutkimuslaitoksessa tapahtumasarjoja, jotka johtavat alkuaineiden syntyyn. Tätä tarkoitusta varten FAIR-tutkimuslaitokseen rakennetaan ydinfragmenttiseparaattori Super-FRS, joka kykenee erottelemaan siihen tuotetuista sekundäärisuihkuista halutut isotoopit ja ohjaamaan ne koealueille erilaisia mittauksia varten. Tämän väitöskirjan alkuosa esittelee Super-FRS separaattorin, sekä uudenlaisen ilmaisintyypin, jota voidaan käyttää ydinfragmenttiseparaat-torin hiukkassuihkun seurannassa. Ilmaisin yhdistelee parhaat puolet kahdesta erilaisesta kaasutäytteisestä hiukkasilmaisimesta, aikaprojektiokammiosta (TPC) ja GEM-ilmaisimesta. Tutkimuksen lähtökohtana olivat FAIR-laitoksen edeltäjän, GSI-tutkimuslaitoksen ydinfragmenttiseparaattorilla käytössä olevat aikaprojektiokammiot, joissa modernia GEM-tekniikkaa ei ole käytetty. Lisäämällä GEM-ilmaisimet vahvistuselementiksi, aikaprojetiokammioiden tehokkuutta voidaan parantaa uuden separaattorin vaatimalle tasolle. Toinen osa keskittyy GEM-ilmaisimiin. Super-FRS separaattorin säteily-ympäristössä sinne asennettavilta ilmaisimilta vaaditaan hyvää säteilynkestoa. Lisäksi ilmaisimien toiminta eri tilanteissa tulee olla hyvin määriteltyä, jotta laitteiston käyttöikä olisi mahdollisimman pitkä. Käyttöikään vaikuttaa asennetun laitteiston laatu. Tämän vuoksi kehitettiin optinen kuvantamisjärjestelmä, jolla voidaan tarkkailla GEM-ilmaisimien laatua. Käyttämällä erilaisia menetelmiä, voidaan mitata ja tutkia hyvin pieniä yksityiskohtia, kuten kalvossa olevien reikien halkaisijaa ja muotoa. Laitteistolla kyetään myös paikallistamaan kalvoissa olevia oikosulkuja, jotka heikentävät ilmaisinkalvojen signaalinvahvistusta. Tehtyä tutkimusta GEM-tekniikkaan perustuvien ilmaisimien käytöstä voidaan suoraan hyödyntää myös muissa sovelluksissa ydinfysiikallisten kokeiden ulkopuolella. Kehitetyt säteilynilmaisimet ovat omiaan säteilyn mittaukseen kaikissa ympäristöissä, joissa tarvitaan laaja-alaista helposti muokattavaa mittalaitteistoa. Tälläisiä aloja ovat esimerkiksi lääketieteen kuvantaminen, säteilynvalvonta ja erilaiset avaruussovellukset