Particle tracking with micro-pattern gaseous detectors

GEM and micromegas detectors are Micro-Pattern Gaseous Detectors (MPGDs). They are intrinsi- cally high-rate capable and show excellent spatial resolution due to small drift lengths and high read-out granularity. Large micromegas detectors will replace parts of the forward high-precision muon tracking system of the ATLAS detector, which will be able to cope with the increased back- ground when the Large Hadron Collider will exceed its current luminosity of 2 × 10 34 cm − 2 s − 1 after 2020. The full tracking potential of these detectors cannot be reached by standard read-out and reconstruction techniques. In this thesis different novel approaches are discussed and introduced, which allow a distinct enhancement in position information. This is achieved by employing methods that take into account the full track information of a charged particle in the detector. In thin planar GEM and micromegas detectors particle tracking is performed by utilization of a time resolving read-out, which allows a Time-Projection-Chamber-like (TPC) track reconstruction for several applications. Thermal neutrons are detected with high precision by reconstructing the tracks of ions emerging from a neutron capture process in a thin 10 B conversion layer. The method is tested in a thermal neutron beam of 3.7 meV with a 10 cm × 10 cm GEM detector. Thereby a reconstruction efficiency of 5 % in a 2 μm boron conversion layer and a spatial resolution of ( 100 ± 10 ) μm is achieved. From this a similar method is derived for the usage in Thick-GEM detectors (TGEM), which results in an enhanced spatial resolution as well. This is tested through the tracking of 5 MeV alpha particles. For these a spatial resolution of ( 360 ± 30 ) μm is reached. An alternative reconstruction method for tracking of minimal ionizing particles in multiple detector layers allows for a significantly enhanced position determination for small GEM-detectors. For muons of 10–150 GeV a spatial resolution below 150 μm is obtained independent of the track inclination. A model for strip cross-talk is developed and a compensating method is applied, which allows improved track inclination reconstruction in a single detector layer. In this thesis the construction of micromegas detectors for the ATLAS muon spectrometer upgrade is described. Furthermore a 2 m 2 prototype with four layers is tested in a 10–150 GeV muon beam. The pulse height, efficiency and spatial and timing resolution of the quadruplet are determined and the general suitability for triggering on this type of detector is studied. Perpendic- ularly incident muons are reconstructed with a spatial resolution below 100 μm and an efficiency above 95 %. With a modified tracking technique and by application of a timing compensation a considerably improved spatial resolution of 200 μm is obtained for inclinations of 20 ◦ and 30 ◦ at high reconstruction efficiency of 97 %. The capability of GEM-detectors for beam monitoring or ion radiography under very high rates is evaluated in a carbon ion beam with particle fluxes between 2–50 MHz. The separation of single particles and the spatial resolution depending on the particle flux is studied. Single particles are resolved with good spatial resolution even at the highest rates, when in average eight particles are traversing the detector simultaneously.GEM und Micromegas zählen zu den mikrostrukturierten Gasdetektoren (MPGDs). Sie zeichnen sich durch intrinsisch hohe Ratenfestigkeit und Ortsauflösung aus, welches durch kurze Driftwege und einen hohen Grad an Segmentierung erreicht wird. Großflächige Micromegas-Detektoren werden deshalb auch Teile des Myonspektrometers des ATLAS-Detektors ersetzen, da diese die nötige Spurauflösung auch unter hoher Untergrundbestrahlung erhalten. Dies wird mit einer geplanten Erhöhung der Luminosität des Large Hadron Colliders über die aktuelle Luminosität von 2 × 10 34 cm − 2 s − 1 hinaus ab dem Jahr 2020 erforderlich sein. Mit standardmäßigen Auslese- und Analysemethoden kann das volle Potential zur Spurrekon- struktion dieser Detektoren nicht ausgenutzt werden. In dieser Arbeit werden neue alternative Techniken untersucht und vorgestellt, die es erlauben, die volle Spurinformation eines Teilchens im Detektor zur Ortsbestimmung auszunutzen. Die Spurbestimmung in GEM- und Micromegas- Detektoren erfolgt dabei für verschiedene Anwendungen unter Zuhilfenahme von Rekonstruktion- smethoden ähnlich einer Spurendriftkammer (TPC). Die Anwendung dieser Technik erlaubt den hochaufgelösten Nachweis von thermischen Neu- tronen. Dies geschieht, indem die Spuren von Ionen vermessen werden, die von einem Neutronen- einfangprozess in einer dünnen 10 B-Konversionsschicht stammen. Die Methode wird in einem 10 cm × 10 cm GEM-Detektor mit einem Strahl thermischer Neutronen (3.7 meV) getestet. Mit einer Dicke der Konversionsschicht von 2 μm wird dabei eine Rekonstruktionseffizienz von 5 % und eine Ortsauflösung von ( 100 ± 10 ) μm erreicht. Eine Abwandlung derselben Rekonstruktionsmethode erlaubt auch eine deutlich verbesserte Ortsrekonstruktion in Thick-GEM-Detektoren (TGEM). Für Messungen mit 5 MeV alpha-Teilchen kann durch Rekonstruktion ihrer Spur die Position im Driftbereich mit einer Ortsauflösung von ( 360 ± 30 ) μm bestimmt werden. Unter Ausnutzung ähnlicher Herangehensweise lässt sich auch die Rekonstruktion von minimal ionisierenden Teilchen in MPGDs deutlich verbessern. Eine Methode, die eine Ortsrekonstruktion basierend auf dem Energieverlust entlang von Myonspuren in einem Strahl von 10–150 GeV aus- nutzt, erlaubt dabei Ortsauflösungen von unter 150 μm unabhängig von der Spursteigung in einem 10 cm × 10 cm GEM Detektor. Durch die Modellierung und Kompensation von Signalkopplung auf benachbarten Auslesestrukturen kann außerdem die Spurrekonstruktion in einer einzelnen Detektorlage verbessert werden. In der Arbeit wird auch die Konstruktion der Micromegas-Detektoren für das ATLAS Muon- spektrometer beschrieben und Resultate von ersten Tests mit einem vierlagigen Prototyp von 2 m 2 Fläche werden vorgestellt. In einem Myonteststrahl werden die Pulshöhe, Rekonstruktionseffizienz sowie die Orts- und Zeitauflösung bestimmt. Myonen, die den Detektor senkrecht zu seiner Ausle- seebene treffen, können dabei mit einer Ortsauflösung von unter 100 μm nachgewiesen werden. Hierbei liegt die Nachweiswahrscheinlichkeit bei über 95 %. Für Myonen, die unter Winkeln von 20 ◦ und 30 ◦ auftreffen, kann durch Rekonstruktion ihrer Spur eine deutlich verbesserte Auflösung von 200 μm bei hoher Effizienz von 97 % erreicht werden. In einem Kohlenstoff-Ionenstrahl mit einer Rate im Bereich von 2 MHz bis 50 MHz wird die Eignung von GEM-Detektoren unter sehr hohen Raten für Anwendungen wie Strahlüberwachung oder Ionenradiographie getestet. Einzelne Ionen können dabei auch bei der höchsten Rate noch mit guter Auflösung nachgewiesen werden, obwohl im Durchschnitt bis zu acht Teilchen zeitgleich den Detektor passieren