Heidelberg, University, Diss., 2000.

The Micromegas technology is one of the most successful modern gaseous detector concepts and widely utilized in nuclear and particle physics experiments. Twenty years of R & D rendered the technology sufficiently mature to be selected as precision tracking detector for the New Small Wheel (NSW) upgrade of the ATLAS Muon spectrometer. This will be the first large scale application of Micromegas in one of the major LHC experiments. However, many of the fundamental microscopic processes in these gaseous detectors are still not fully understood and studies on several detector aspects, like the micromesh geometry, have never been addressed systematically. The studies on signal formation in Micromegas, presented in the first part of this thesis, focuses on the microscopic signal electron loss mechanisms and the amplification processes in electron gas interaction. Based on a detailed model of detector parameter dependencies, these processes are scrutinized in an iterating comparison between exper- imental results, theory prediction of the macroscopic observables and process simulation on the microscopic level. Utilizing the specialized detectors developed in the scope of this thesis as well as refined simulation algorithms, an unprecedented level of accuracy in the description of the microscopic processes is reached, deepening the understanding of the fundamental process in gaseous detectors. The second part is dedicated to the challenges arising with the large scale Micro- megas production for the ATLAS NSW. A selection of technological choices, partially influenced or determined by the herein presented studies, are discussed alongside a final report on two production related tasks addressing the detectors’ core components: For the industrial production of resistive anode PCBs a detailed quality control (QC) and quality assurance (QA) scheme as well as the therefore required testing tools have been developed. In parallel the study on micromesh parameter optimization and production feasibility resulted in the selection of the proposed mesh by the NSW community and its full scale industrial manufacturing. The successful completion of both tasks were im- portant milestones towards the construction of large size Micromegas detectors clearing the path for NSW series production. / Die Micromegas Technologie zählt zu den erfolgreichsten Konzepten moderner Gas- detektoren und findet Anwendung in zahlreichen Experimenten der Kern- und Teil- chenphysik. Nach zwanzig Jahren Weiterentwicklung wurde die Micromegas Technologie für hinreichend ausgereift befunden, um als Präzisionsspurdetektor in den New Small Wheels (NSW) des ATLAS Myon Spektrometers verwendet zu werden. Dies stellt den ersten großflächigen Einsatz der Micromegas Technologie in einem LHC Experiment dar. Dennoch blieben einige der grundlegenden Prozesse in Gasdetektoren nach wie vor unzureichend verstanden und ausgewählte Detektoraspekte, wie die Geometrie der Mikrogitter, wurden bisher kaum systematisch untersucht. Die im ersten Teil dieser Doktorarbeit präsentierten Studien zu Signalenstehungspro- zessen in Micromegas richten sich daher auf die mikroskopischen Mechanismen zum Elek- tronenverlust und die Verstärkungsprozesse in Elektron-Gas-Wechselwirkungen. Diese Prozesse werden auf Basis eines Modells ihrer Abhängigkeiten von den Detektorpara- metern untersucht, wobei stets der Vergleich zwischen experimentell gemessenen Daten, theoretischen Vorhersagen dieser makroskopischen Größen und der Simulation von Pro- zessen auf mikroskopischer Ebene gezogen wird. In Verbindung mit den im Rahmen die- ser Arbeit entwickelten Detektoren und verbesserten Simulationsalgorithmen lieferten diese iterativen Vergleichsstudien ein vertieftes Verständnis der fundamentalen Prozesse in gasgefüllten Detektoren. Der zweite Teil widmet sich den mit der Konstruktion der großflächigen ATLAS NSW Micromegas Detektoren einhergehenden Herausforderungen und diskutiert Entscheidun- gen bezüglich ausgewählter Technologieoptionen, die teilweise substantiell durch diese Arbeit beeinflusst wurden. Darüber hinaus wird abschließend über zwei Tätigkeitsbe- reiche bezüglich der Produktion zentraler Detektorkomponenten berichtet: Für die in- dustrielle Fertigung der resistiven Anoden-PCBs wurde ein unfangreiches und verlässli- ches Qualitätssicherungs- und Qualitätskontroll-Schema sowie die hierzu notwendigen Messtechniken und -apparaturen entwickelt. Die parallel vorangetriebene Studie zur Optimierung der Parameter des Mikrogitters unter Berücksichtigung der produktions- bedingten Limitationen führte zu der Bestätigung der vorgeschlagenen Spezifikation durch die NSW Kollaboration und der industriellen Fertigung dieses Gewebes. Der er- folgreiche Abschluss beider Projekte waren essenzielle Meilensteine auf dem Weg zur Serienproduktion der NSW Micromegas Detektoren.

Micromegas are parallel-plate gaseous detectors with micro-pattern readout structures that are able to measure precisely and efficiently at high particle rates. Their difference with respect to other gaseous detectors is that the space in which particles ionise the gas and create electrons is separated from the region in which these electrons are multiplied (or amplified) by a thin metallic mesh. In the ionisation region, typically a few mm thick, a moderate field of a few hundred V/cm is applied. The amplification region with a homogeneous electrical field of 40--50~kV/cm is only 100--150~$\upmu$m thick. The latter guarantees that the positive ions produced in the amplification process are rapidly evacuated and the possibility to build up space charge at high rate is reduced. Critical in micromegas detectors are sparks in the thin amplification region in the presence of the high electrical field. This problem was solved in 2011 by introducing a spark protection scheme. It consists of a layer of resistive strips on top of the readout strips, separated from the latter by a thin insulation layer. Micromegas with the spark protection scheme were selected as instrumentation of the first ATLAS forward muon station (NSW) in the upgrade of the ATLAS detector for the operation of the Large Hadron Collider (LHC) at high luminosity (HL-LHC), expected for 2026. The main subjects of this thesis are: the characterisation of the first micromegas quadruplet prototypes for the NSW detectors; the characterisation of the materials used in the spark-protection system; and the study of the influence of the mesh distance holders (pillars) on the detector performance. The thesis starts with a brief introduction into the LHC and ATLAS projects, followed by a chapter that explains the reason for the upgrade of the ATLAS muon system and shows the layout of the NSW. The first of the three main chapters covers the construction and the characterisation of the first two prototypes for the NSW detectors. These detectors comprise four detection layers and have the same mechanical structure as the NSW detectors. The mechanical precision as well as the homogeneity of the detector response are discussed. The latter has been measured using X-rays and cosmic rays. The spatial resolution that can be achieved with these detectors precision has been measured at the MAMI accelerator at Mainz with low-energy electrons. The chapter is completed by a section that describes the successful integration of a data acquisition system (DAQ) into the official ATLAS DAQ system that was required for an initially planned installation of one of the prototypes on the existing Small Wheel. The next chapter presents a study of the influence of temperature and humidity changes on the resistive strips used in the spark protection system. In addition the long-term stability of the resistive material has been measured accumulating charge equivalent to 100 years of operation in the HL-LHC and exposing the samples to intense gamma irradiation equivalent to 10 years of HL-LHC operation. The third part covers the impact of the mesh distance holders (pillars) on the performance of the detector. This study has been performed with a 10 x 10 cm$^2$ bulk-micromegas with two different pillar shapes. Both 5.9 keV gammas from a $^{55}$Fe and 8 keV X-rays from a Cu target were used. In this context also the electrostatic charge-up of the detector is discussed. In the Appendices one finds a summary of the fundamental physics relevant for gaseous detectors as well as some supporting material for the topics covered in the main part of the thesis. / Micromegas-Detektoren sind Gas-Detektoren aus der Familie der Parallel-Platten-Detektoren mit sehr feinen Auslese-Elementen, die präzise und effizient bei hohen Teilchenraten messen können. Sie unterscheiden sich von anderen Gas-Detektoren dadurch, dass der Bereich, in dem die zu messenden Teilchen das Gas ionisieren und damit Elektronen produzieren, von dem Bereich, in dem diese Elektronen vervielfältigt werden, durch ein feines metallisches Gitter getrennt ist. Im Ionisationsbereich der gewöhnlich mehrere mm dick ist, wird ein moderates elektrisches Feld von einigen hundert Volt angelegt. Der Vervielfachungs- oder Verstärkungsbereich mit einem homogenen elektrischen Feld von $\sim$40--50 kV/cm ist nur 100--150 $\upmu$m dick. Dadurch können die positiven Ionen, die im Vervielfältigungsprozess entstehen, schnell abgeleitet werden und der Aufbau von Raumladung bei hohen Teilchenraten wird begrenzt. Ein kritisches Element der Micromegas Detektoren sind spontane Entladungen in dem starken elektrischen Feld und dem sehr dünnen Verstärkungsbereich. Diese Problem wurde 2011 durch die Einführung einer Schutzschicht gelöst. Diese besteht aus einer dünnen Isolationsschicht über den Auslesestreifen, auf die Widerstandsstreifen aufgebracht werden. Micromegas-Detektoren mit Widerstandsschutz wurden für die Instrumentierung der ersten Station des ATLAS Myon-Systems in Vorwärtsrichtung (NSW) als Mess- und Auslöse-Instrumente für den Betrieb des Large Hadron Colliders (LHC) bei höherer Luminosität (HL-LHC, ab 2020) gewählt. Das Ziel dieser Arbeit ist: 1. die Messung der Eigenschaften der ersten Micromegas NSW Prototypen; 2. die Untersuchung der Eigenschaften des Materials, das für die Widerstandsstreifen benutzt wird; und 3. die Bestimmung des Einflusses der Gitter-Abstandshalter (pillars) auf die Eigenschaften des Detektors. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung, die den LHC und das ATLAS Projekt vorstellt, gefolgt von einem Kapitel, das erklärt, warum die jetzt installierten Myon-Detektoren ersetzt werden müssen, um bei einer konsequenten Erhöhung der LHC-Luminosität nicht an Messgenauigkeit zu verlieren. Es zeigt dann wie die neue Myon Station, das New Small Wheel (NSW), aussehen wird. Im ersten der Hauptkapitel werden der Bau und die Untersuchung der ersten beiden Prototypen für die NSW Detektoren beschrieben. Diese Detektoren (MMSW) bestehen aus vier Messlagen und haben die gleiche mechanische Struktur wie die NSW Detektoren. Sowohl die mechanische Präzision als auch die Homogenität der Signale über den gesamten Detektor und die Teilchen-Nachweiswahrscheinlichkeit werden diskutiert. Letztere wurden mit Röntgenstrahlen und Teilchen aus der kosmischen Strahlung gemessen. Die Ortsauflösung wurde am MAMI Beschleuniger in Mainz mit nieder energetischen Elektronen gemessen. Das Kapitel wird komplettiert durch einen Abschnitt, der die erfolgreiche Integration eines Datenerfassungssystems für die MMSW Detektoren in das offizielle ATLAS Datenerfassungssystem beschreibt. Solch ein System wurde für die ursprünglich geplante Installation eines der MMSW Detektoren in ATLAS gebraucht. Danach wird die Untersuchung der Eigenschaften der Widerstandsstreifen präsentiert, insbesondere deren Abhängigkeit von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit, sowie ihr Langzeitverhalten. Dafür wurden die Streifen einem Stromfluss ausgesetzt der 100 Jahren Betrieb im LHC entspricht, zum anderen einer Gamma Strahlendosis ausgesetzt, wie sie bei einem 10-jährigen LHC Betrieb erwartet wird. Im dritten Teil folgt eine ausführliche Studie des Einflusses der Gitter-Abstands-halter (pillars) auf die Ortsauflösung und die Nachweiswahrscheinlichkeit. Diese Studie wurde mit einem 10 $\times$ 10 cm$^2$ großen Micromegas Detektor mit zwei verschiedenen Abstandshalterformen sowohl mit 5.9 keV Gamma-Strahlen von einer $^{55}$Fe Quelle, als auch mit 8 keV Photonen aus einer Röntgen-Quelle durchgeführt. In diesem Zusammenhang wird auch die elektrostatische Aufladung des Detektors diskutiert. Im Anhang findet sich eine Zusammenfassung der physikalischen Grundlagen, die für Gasdetektoren relevant sind, sowie zusätzliches Material zu den oben beschriebenen Kapiteln.

This work consists of two parts. On the one hand, it describes simulation and measurement of the effect of contaminations of the detector gas on the performance of particle detectors, with special focus on Micromegas detectors. On the other hand, it includes the setup of a production site for the finalization of drift panels which are going to be used in the ATLAS NSW. The first part augments these two parts to give an introduction into the theoretical foundations of gaseous particle detectors. / Diese Arbeit beinhaltet zwei Teile. Zum einen behandelt sie die Simulation und die Messung des Effekts von Verunreinigungen des Detektorgases auf Teilchen- detektoren, im speziellen vom Typ Micromegas. Zum anderen beinhaltet sie den Aufbau einer Produktionsstätte zur Vollendung von Driftpaneelen, die im ATLAS NSW Einsatz finden werden. Der erste Teil dieser Arbeit nimmt die Rolle eines Einführungsteiles ein, der die theoretischen Grundlagen von gasgefüllten Detekto- ren bespricht.