Für die Suche nach neuer Physik und die präzise Vermessung des Standard Modells ist ein neuer Linearbeschleuniger (ILC) geplant. Das ILD Detektorkonzept, welches für diesen Beschleuniger entwickelt wird, sieht die Verwendung einer Zeit-Projektionskammer (TPC) als zentrale Spurkammer vor. Die Impulsauflösung, die mit dieser TPC erreicht werden soll, beträgt δ(1/pt) ≅ 10-4(GeV/c)-1 bei einer Magnetfeldstärke von B=3.5T.
Feldverzerrungen des elektrischen und des magnetischen Feldes in der TPC können zu einer Verfälschung der Messungen führen, was eine Reduktion der Impulsauflösung zur Folge hat. Daher ist das Ziel, die Auswirkungen der Feldverzerrungen zu beschränken, indem diese mit einer hohen Genauigkeit bestimmt und korrigiert werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich damit, die Hauptquellen von Feldverzerrungen im sensitiven Volumen der TPC zu identifizieren, ihre Auswirkungen abzuschätzen und die gefundenen Quellen von Feldverzerrungen zu reduzieren. Eine bekannte Quelle von Verzerrungen des elektrischen Feldes im sensitiven Volumen der TPC sind Ionen, die bei der Elektronenverstärkung in der Anode erzeugt werden und durch das elektrische Feld in das sensitive Volumen der TPC gelangen. Im ersten Teil der Arbeit wird die Erzeugung der Ionen in der Gasverstärkung mit Gas Electron Multiplier (GEM) Folien studiert. Im Rahmen dieser Studie wurden sowohl Messungen mit einem Prototyp als auch detallierte Simulationen des Verstärkungsprozesses genutzt. Die Resultate zeigen, dass die erwarteten Verzerrungen durch Ionen in der TPC zu groß sind um die Ziele der ILD TPC zu erreichen. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Betriebsparameter getestet und gezeigt, wie der Einfluss dieser auf die Anzahl der das sensitive Volumen der TPC erreichenden Ionen ist. Anschließend wurde eine modifizierte GEM genutzt um zu zeigen wie man die Anzahl dieser Ionen mittels geeigneter GEMs verringern kann.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Simulationsstudien zu Feldverzerrungen an Prototyp-Auslesemodulen, die für den ILD entwickelt werden, durchgeführt. In übereinstimmung mit Messdaten konnte gezeigt werden, dass an den Grenzen zwischen einzelnen Modulen signifikante Verzerrungen des elektrischen Feldes entstehen. Eine auf den Simulationsergebnissen basierende Optimierung des am DESY entwickelten Auslesemoduls führte zu einer Reduktion der Verzerrungen und einer Steigerung der Ausleseeffizienz am Modulrand. Dies konnte auch anhand von Messdaten verifiziert werden.
Abschließend wurde ein Laserkalibrationssystem für die Messung der Gesamtverzerrungen in einem TPC Prototypen genutzt. Dabei wurden sowohl Verzerrungen des elektrischen Feldes als auch des magnetischen Feldes gemessen. Im Rahmen dieser Studien werden auch weitere Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Systems diskutiert.
The International Linear Collider (ILC) will allow to do precision measurements of Standard Model parameter and to search for new physics. The ILD detector concept, which is developed for the ILC, uses a Time Projection Chamber (TPC) as central tracking device. The momentum resolution goal for the ILD TPC is δ(1/pt) ≅ 10-4(GeV/c)-1 at a magnetic field of B=3.5T.
Field distortions of the magnetic or electric field inside the sensitive volume of the TPC distort the momentum measurements. Therefore, one needs to keep them under control and correct them with high precision.
In this thesis the main sources of field distortions in the TPC are identified and their effects are determined. Furthermore, possibilities to reduce the identified field distortions are presented. One known source of distortions of the electric field are ions, produced by the gas amplification in the TPC anode, that drift into the sensitive volume of the TPC. In the first part of this work the creation of these ions in Gas Electron Multiplier (GEM), which are used for the gas amplification, is studied. It will be shown that the resulting field distortions are not acceptable at the ILD TPC. By tuning the parameters of the gas amplification at the anode the field distortion can be reduced, which is shown in measurements and simulations. In addition measurements using a modified GEM will show that it is possible to further reduce the field distortions with such a GEM.
In the second part of this work field distortions arising at boundaries between individual readout modules are investigated using simulation studies. It will be shown in simulations, which are verified by measurement results, that these field distortions significantly influence the readout module performance. Based on the simulation results the GEM based readout module developed at DESY is optimised and the field distortions are reduced. These performance improvements could also be verified in measurements.
Finally, a laser calibration system is used to study the overall field distortions in a large TPC prototype. In these measurements distortions of the electric field as well as of the magnetic field are found and quantified. With the presented measurements the capabilities of a laser calibration system are illustrated. They are not limited to measuring field distortions, but the laser calibration system also allows to monitor other TPC parameters. This is shown in the case of the drift velocity.