Next generation GridPix: development and characterisation of pixelated gaseous detectors based on the Timepix3 chip

Abstract

The GridPix is an innovative detector concept which uses a gas mixture as detection medium, combined with a CMOS pixel chip as active readout anode. The pixels register the avalanche induced signals of ionisation electrons created by incident radiation. The recording of the drift time enables the 3D reconstruction of the creation position of single ionisation electrons with high accuracy. This thesis is aiming to the development of the GridPix detectors based on the Timepix3 chip and the characterisation of their tracking performance. Extensive characterisation of GridPix detectors in the laboratory and with particle beams resulted in excellent tracking performance. The detector has a more fundamental set of track-resolution parameters which consists of a 3D vector (σTx ,σTy ,σTz ) and two angles (σα, σβ). With this information the resolutions in rotated reference frames can be derived. In addition the timewalk correction for the Timepix3 chip obtained with real particle data for the first time. Thanks to the timewalk correction, we measure an improved set of track- resolution parameters, (σTx ,σTy ,σTz ) = (10,10,19) µm and (σα, σβ) = (4.5,4.5) mrad and an improved single hit resolution along the drift direction. The research that has been performed in the context of this thesis shows the great potential of GridPix detectors for future tracking applications. Pixel chips with improved specifications can improve further the position resolution along the drift direction, which can be comparable to the in-plane position resolution. Moreover GridPix detectors equipped with high uniformity protection layers would be able to suppress all the discharges in the future. However the production techniques should be optimised further so that GridPix becomes a mature technology.

Ο ανιχνευτής γκρίντπιξ (GridPix) είναι μια καινοτόμος διάταξη ανίχνευσης που χρησιμοποιεί ένα μείγμα αερίων ως μέσο ανίχνευσης, σε συνδυασμό με ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα εικονοστοιχείων ως ενεργή άνοδο ανάγνωσης. Τα εικονοστοιχεία καταγράφουν τα σήματα απο τις ηλεκτρονικές χιονοστιβάδες που προκαλούνται από τα ηλεκτρόνια ιονισμού που δημιουργούνται από προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η καταγραφή του χρόνου ολίσθησης επιτρέπει την τρισδιάστατη ανακατασκευή της θέσης δημιουργίας μεμονωμένων ηλεκτρονίων ιονισμού με υψηλή ακρίβεια. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη ανιχνευτών γκρίντπιξ (GridPix) βασισμένων στο ολοκληρωμένο κύκλωμα τάιμπιξ3 (Timepix3) και στον χαρακτηρισμό της απόδοσής τους για την ανακατασκευή τροχιών σωματιδίων. Η εκτεταμένη μελέτη των ανιχνευτών γκρίντπιξ (GridPix), τόσο στο εργαστήριο όσο και με δέσμες σωματιδίων, οδήγησε στη μέτρηση της εξαιρετικής διακριτικής ικανότητας θέσης της συγκεκριμένης τεχνολογίας. Ο ανιχνευτής διαθέτει ένα πιο θεμελιώδες σύνολο παραμέτρων διακριτικής ικανότητας θέσης της τροχιάς σωματιδίων, το οποίο αποτελείται από ένα τρισδιάστατο διάνυσμα (σTx, σTy, σTz) και δύο γωνίες (σα, σβ). Με αυτές τις πληροφορίες μπορεί να εξαχθεί η διακριτική ικανότητα θέσης σε περιστρεφόμενα συστήματα αναφοράς. Επίσης, μετρήθηκε για πρώτη φορά η διόρθωση του χρονοπερίπατου (timewalk) για το ολοκληρωμένο κύκλωμα τάιμπιξ3 (Timepix3) χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα σωματιδίων. Χάρη στη διόρθωση του χρονοπερίπατου (timewalk), μετρήθηκε ένα βελτιωμένο σύνολο παραμέτρων διακριτικής ικανότητας θέσης της τροχιάς σωματιδίων, με (σTx, σTy, σTz) = (10, 10, 19) μm και (σα, σβ) = (4.5, 4.5) mrad, καθώς και βελτιωμένη διακριτική ικανότητα ανακατασκευής της θέσης δημιουργίας μεμονωμένων ηλεκτρονίων ιονισμού κατά μήκος της κατεύθυνσης ολίσθησης. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής καταδεικνύει τη μεγάλη προοπτική των ανιχνευτών γκρίντπιξ (GridPix) για μελλοντικές εφαρμογές ανακατασκευής τροχιών σωματιδίων. Ολοκληρωμένα κυκλώματα με βελτιωμένες προδιαγραφές μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω τη διακριτική ικανότητα θέσης κατά μήκος της κατεύθυνσης ολίσθησης, ώστε αυτή να καταστεί συγκρίσιμη με την ανάλυση στο επίπεδο των εικονοστοιχείων. Επιπλέον, ανιχνευτές γκρίντπιξ (GridPix) εξοπλισμένοι με υψηλής ομοιομορφίας στρώματα προστασίας από εκκενώσεις φορτίου θα μπορούν στο μέλλον να καταστέλλουν πλήρως τέτοιες εκκενώσεις. Ωστόσο, οι τεχνικές παραγωγής θα πρέπει να βελτιστοποιηθούν περαιτέρω ώστε ο ανιχνευτής γκρίντπιξ (GridPix) να καταστεί μια ώριμη τεχνολογία.