Lochgeometrie und GEM-Verstärkung

Das wesentliche Kriterium für den Betrieb der GEM-Folie als ``Vorverstärker'' ist die Gasverstärkung als Funktion der angelegten Potentialdifferenz $\Delta U_{GEM}$ zwischen Ober- und Unterseite.

Die GEM-Verstärkung $A_{GEM}$ bei $\Delta U_{GEM}$ ergibt sich aus dem Verhältnis der Gesamtgasverstärkungen einer GEM-MSGC für den Betrieb mit $\Delta U_{GEM}$ und $\Delta U_{GEM}$ = 0 V:

$$A_{GEM}(\Delta U_{GEM}) = \frac{A_{gesamt}(\Delta U_{GEM})}{A_{gesamt}(\Delta U_{GEM} = 0~V)}$$ (4.3)

Folgende GEM-Geometrien wurden untersucht:

Tabelle 4.1: Charakteristika der untersuchten GEM-Geometrien

Loch-	Kupferloch-	Kaptonloch-	Lochform, Anordnung,
abstand	durchmesser	durchmesser	Produktionsserie
200 ${\mu}$m	140 ${\mu}$m	80 ${\mu}$m	quadratisch, in Reihen, #39, #46
140 ${\mu}$m	100 ${\mu}$m	40 ${\mu}$m	rund, in Reihen
200 ${\mu}$m	140 ${\mu}$m	120 ${\mu}$m	rund, staggered, C-Serie
140 ${\mu}$m	120 ${\mu}$m	70 ${\mu}$m	rund, staggered, L#L-Serie
140 ${\mu}$m	75 ${\mu}$m	45 ${\mu}$m	rund, staggered, X-Serie
140 ${\mu}$m	95 ${\mu}$m	55 ${\mu}$m	rund, staggered, double etching, Y-Serie
			(HERA-B-Geometrie)

In Abbildung 4.7 ist die GEM-Verstärkung als Funktion der Potentialdifferenz $\Delta U_{GEM}$ dargestellt. Die Messungen wurden in der Zählgasmischung Ar/DME (50/50) bei einem Driftfeld von $E_{Drift} = 6,7~\frac{\rm kV}{\rm cm}$ und jeweils vor dem Start der Hochratenbestrahlung mit einer Fe-Quelle durchgeführt. Es war also noch nicht zu u. U. auftretenden Aufladungseffekten oder einer Alterung der GEM-Folie und dadurch zu einer Veränderung der GEM-Verstärkung gekommen.

Die verschiedenen Lochgeometrien stellen unterschiedliche ``Entwicklungsstufen'' in der anwendungsorientierten GEM-Forschung dar, die sich in der Zusammenarbeit mit F. Sauli und dessen Kontakten zur galvanischen Werkstatt am CERN ergaben.
Zunächst bestand das Interesse darin, eine große Verstärkung bei minimaler Potentialdifferenz $\Delta U_{GEM}$ zu erzielen. Dies konnte mit sehr kleinen Kaptonlöchern auch erreicht werden. Durch die dadurch deutlich unterschiedlichen Durchmesser von Kupfer- und Kaptonloch ergeben sich jedoch sehr konische Löcher mit großen Flächen freien Kaptons im Lochkegel. Der Hochratenbetrieb im Labor in Heidelberg hat jedoch gezeigt, daß bei Geometrien mit viel freier Kaptonfläche durch Aufladungseffekte Variationen der Gasverstärkung von bis zu einem Faktor 2 als Funktion der Zeit in der GEM-Folie auftreten können. Durch den mit wachsendem Abstand vom Strahlrohr abnehmenden Teilchenfluß könnte es jedoch durch die inhomogene Bestrahlung im aktiven Bereich einer GEM-MSGC zu stark unterschiedlichen Aufladungen und dadurch zu variierenden Gasverstärkungen innerhalb eines Detektormoduls kommen.

Die sogenannte HERA-B-Geometrie stellt einen Kompromiß aus erreichbarer Verstärkung, Betriebssicherheit durch möglichst geringe Potentialdifferenz und Reduzierung der unerwünschten Aufladungseffekte dar. Abbildung 4.8 zeigt die GEM-Verstärkung für diese Geometrie mit einem Lochwiederholabstand von 140 ${\mu}$m, einem Durchmesser des Kupferloches von 95 ${\mu}$m  und des Kaptonlochs von 55 ${\mu}$m. Die Lochanordnung ist versetzt ( staggered), das Kupfer ist zweimal geätzt ( double copper etching).
Zum Vergleich wurden hier die GEM-Verstärkungen in den Zählgasmischungen Ar/DME (50/50) und Ar/ $\rm {CO_2}$ (70/30) gemessen. Die Messungen zeigen, daß in der Zählgasmischung Ar/DME (50/50) bei einer vorgesehenen GEM-Verstärkung von 20-30 bei $\Delta U_{GEM}$ = 360-380 V noch ausreichend Reserve zu höheren Spannungen besteht.
In der Zählgasmischung Ar/$\rm CO_2$ (70/30) sind ungefähr 10 % höhere Spannungen notwendig, um die gleichen GEM-Verstärkungen zu erreichen.

Abbildung: GEM-Verstärkung als Funktion der Potentialdifferenz $\Delta U_{GEM}$ für verschiedene Lochgeometrien. Die Zahlenkombination 200/140/80 kennzeichnet die Lochgeometrie mit einem Wiederholabstand ( Pitch) von 200 ${\mu}$m, einem Durchmesser des Kupferlochs von 140 ${\mu}$m  und des Kaptonlochs von 80 ${\mu}$m.

Abbildung: GEM-Verstärkung als Funktion der Potentialdifferenz $\Delta U_{GEM}$ für die sogenannte HERA-B-Geometrie.