Fabian Kuger

• 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 andThe 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 inDie 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.…