Μελέτη των παραμέτρων του ανιχνευτή micromegas και του φάσματος ενεργειακών απωλειών των κοσμικών μιονίων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στις ιδιότητες και επιδόσεις του ανιχνευτή micromegas. Ο ανιχνευτής micromegas είναι υποψήφιος αντικαταστάτης των ανιχνευτών CSC του φασματομέτρου μιονίων του πειράματος ATLAS στον sLHC. Οι ανιχνευτές αυτοί θα πρέπει να έχουν σχετικά μεγάλες διαστάσεις (1m*2m), να έχουν χαμηλό κόστος ,να είναι ανθεκτικοί σε περιβάλλον υψηλής ακτινοβολίας καθώς και να συνδιάζουν ικανότητες σκανδαλισμού και προσδιορισμού τροχιάς. Οι απαιτήσεις που έχουν τεθεί για αυτούς τους ανιχνευτές είναι: 1)Χωρική διακριτική ικανότητα 100μm,μέχρι γωνίες πρόσπτωσης 45 μοιρών 2)Χρονική διακριτική ικανότητα 5ns 3)Ανιχνευτική ικανότητα 98% 4)Ικανότητα ανίχνευσης σε ρυθμούς γεγονότων της τάξης των 5kHz/cm^2

Κατά τη διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν δυο μικροί micromegas(επιφάνειες mesh 5*5cm^2 και 10*10cm^2) για να προσδιοριστούν οι επιδόσεις τους και οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας τους. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν το κέρδος και η ενεργειακή διακριτική ικανότητα των ανιχνευτών με σκοπό να προσδιοριστεί η εξάρτησή τους απο τις τάσεις λειτουργίας ,καθώς και να προσδιοριστούν οι τάσεις λειτουργίας στις οποίες οι παραπάνω παράμετροι βελτιστοποιούνται. Επίσης μελετήθηκε το φάσμα των ενεργειακών απωλειών κοσμικών μιονίων και προσδιορίστηκε η πιο πιθανή τιμή ενέργειας που αφήνουν τα κοσμικά μιόνια στον ανιχνευτή. Όσον αφορά στη δομή της εργασίας, αυτή αποτελείται απο 6 κεφάλαια. Στο πρώτο απο αυτά, περιγράφεται ο μεγάλος αδρονικός επιταχυντής καθών και τα επιμέρους πειράματα που τον χρησιμοποιούν. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν εντός των ανιχνευτών ιονισμού, η γνώση των οποίων αποτελεί βασική προυπόθεση για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του ανιχνευτή micromegas. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές παράμετροι λειτουργίας των ανιχνευτών καθών και γίνεται μια ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των ανιχνευτών ιονισμού. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του ανιχνευτή micromegas. Παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του ,τα πειράματα στα οποία έχει συμμετάσχει καθώς και αποτελέσματα που αφορούν στις επιδόσεις του. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρόγραμμα ΜΑΜΜΑ(Muon Atlas MicroMegas Activity) ενώ στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται η διαδικασία και τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν στο ΕΜΠ με σκοπό τη μελέτη των επιδόσεων ενός πρωτότυπου ανιχνευτή micromegas και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων.

This thesis is referred to the properties and records of the micromegas detector. The micromegas detector is a possible candidate to replace the CSC detectors of the ATLAS muon spectrometer at sLHC. These detectors must have large enough dimensions(1m*2m). Also they must have low cost, they must be robust to the high levels of radiation of sLHC and they must combine good trigger and tracking properties. The requirements for these detectors are: 1)Space resolution~100μm for impact angles<45 degrees 2)Time resolution<5ns 3)High efficiency(98%) 4)High-rate capability(>5kHz/cm^2) During this thesis, two small micromegas were investigated(mesh areas 5*5cm^2 and 10*10cm^2) ,in order to study their performance and to find the best conditions for their performance. Particularly, two parameters of the micromegas detector were studied: the gain and the energy resolution. The aim was to find their depdndence from the high voltages applied and to find the values of these voltages that maximize these two parameters. Additionally the energy loss spectrum of cosmic muons was studied and the most probable energy loss of a cosmic muon was deermined. As the structure of this thesis is concerned, it consists of six chapters. In the first of them, the Large Hadron Collider is described along with the experiments that use it. In the second chapter, there is a description of the interaction that occur inside the ionization chambers, the knowledge of which is a crucial parameter to understand the operation of the micromegas detector. In the third chapter, the basic working parameters of detectors are presented and there is a historical reference about the evolution of the ionization chambers. In the fourth chapter the micromegas detector is presented. The working principle is presented,along with the experiments that micromegas has participated and some results depicting its potential. In the fifth chapter there is a reference to the MAMMA(Muon Atlas MicroMegas Activity) project and finally in the last chapter the procedure and the results of experiments carried out in the National and Technical University of Athens are presented. The aim of the last chapter is to study the performance of the micromegas detector and extract valuable conclusions about its potential.