Funktionsprinzip

Beim Durchgang eines geladenen Teilchens werden die Atome und Moleküle des Zählgases ionisiert. Die im Driftraum entstandenen Elektronen driften aufgrund des angelegten elektrischen Feldes in Richtung der Anoden, passieren aber auf diesem Weg zunächst die GEM-Folie (siehe Abbildung 4.2).

Abbildung 4.2: Signalerzeugung in einer GEM-MSGC, aus [Hau98]

Die Driftfeldlinien werden im Bereich der GEM-Löcher zusammengeschnürt, so daß stark inhomogene Felder entstehen. Das Zusammenschnüren der Driftfeldlinien wird erreicht, indem zwischen der oberen und unteren Kupferschicht der GEM-Folie eine Potentialdifferenz angelegt wird (siehe Abbildung 4.3). Durch die großen Feldstärken in einem GEM-Loch werden die Elektronen beim Durchfliegen so beschleunigt, daß sie weitere Elektronen durch Stoßionisation erzeugen. Es findet also bereits hier in der GEM-Folie Gasverstärkung statt. Bei den Tests in dieser Arbeit wurde bei der elektrischen Beschaltung der GEM-MSGC durch einen Spannungsteiler erreicht, daß das mittlere Potential der GEM-Folie auf $\frac{1}{2} \cdot U_{Drift}$ lag. Für den Betrieb der full-size GEM-MSGCs wurde die neu entwickelte GEM-Verteiler-Box A344 [A344] so ausgelegt, daß die Felder $E_{Drift}$ und $E_{Transfer}$ gleich groß sind. Dabei wird berücksichtigt, daß das MSGC-Substrat nicht auf Anodenpotential (``Masse'') liegt, sondern auf einem Potential zwischen Anoden und Kathoden. Da der Zwischenraum zwischen Anoden und Kathoden den Potentialunterschied linear herunterteilt, wurde für die Berechnung des mittleren Potentials des Substrats jeweils zu den Breiten der Streifen zwei mal die halbe Breite des Zwischenraumes addiert. Damit ergibt sich das mittlere Potential: $\rm\frac{(10+2\cdot 30)~\mu m}{300~\mu m} \cdot 0~V + \frac{(170+2\cdot 30)~\mu m}{300~\mu m} \cdot (-465~V) \approx -360~V$. Das Substrat liegt auf einem mittleren Potential von $0,77 \cdot U_K$. Damit die Feldstärken für die Felder $E_{Drift}$ und $E_{Transfer}$ gleich groß sind, liegt das mittlere Potential der GEM-Folie auf $0,56 \cdot U_D$.

Abbildung 4.3: Feldlinienverlauf in einem GEM-Loch, Simulation von P. Cwetanski.

Anschließend driften die Elektronen weiter zu der Anode, wo im inhomogenen Feld zwischen Anode und Kathoden (siehe Abbildung 4.4) wiederum Gasverstärkung stattfindet. Die Gasverstärkung an den Anoden hängt dabei exponentiell von der Kathodenspannung $U_K$ und schwach linear von der Driftspannung $U_D$ ab [Vis96], [Bre97]. Die Elektronen sammeln sich auf der Anode und fließen in die angeschlossenen Verstärker ab.

Abbildung 4.4: Feldlinienverlauf zwischen Anode und Kathode auf dem MSGC-Substrat, aus [Bre97].

Die Gasverstärkung wird also in zwei makroskopisch voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt. Wenn man annimmt, daß es keine Rückwirkungen der beiden Gasverstärkungszonen aufeinander gibt und beide Gasverstärker linear arbeiten, dann gilt für die $A_{gesamt}$:

$$A_{gesamt} = A_{GEM} \cdot A_{MSGC}$$ (4.1)

Für eine Gesamtgasverstärkung von 4000 reicht bereits eine GEM-Verstärkung $A_{GEM} = 20$, so daß an der MSGC nur eine Verstärkung $A_{MSGC} = 200$ notwendig ist. Damit kann die Wahrscheinlichkeit für Überschläge an der MSGC durch starkionisierende Teilchen um mehrere Größenordnungen reduziert werden.