Ion Movement and Space-charge Distortions in the ALICE TPC

The Time Projection Chamber (TPC), a large gaseous detector, is the main particle identification device of the ALICE experiment at the CERN LHC. The desired performance of the TPC defines the requirements for the gas mixture used in the detector. The active volume was filled with either Ne-CO$_{2}$ (90-10) or Ne-CO$_{2}$-N$_{2}$ (90-10-5) during the first LHC running period. For LHC Run 2 the gas mixture is changed to Ar-CO$_{2}$. Calculations of relevant gas properties are performed for Ar-based gas mixtures and compared to Ne-based gas mixtures to identify the most suitable Ar mixture. The drift velocity of ions in Ar is lower than in Ne. The closing time of the gating grid has to be adjusted accordingly to avoid drift field distortions due to back-drifting ions. The drift times of ions in the TPC readout chambers are calculated for the respective gas mixtures to determine the time to collect all ions from the amplification region. For LHC Run 3 the TPC readout chambers will be upgraded. The Multiwire Proportional Chambers (MWPCs) will be replaced by readout chambers based on Gas Electron Multipliers (GEMs) which are operated in continuous mode. As a consequence an ion backflow of the order of 1% causes significant space-charge distortions in the TPC drift volume. Similar distortions are expected in data taken specifically for the study of space-charge effects at the end of Run 1. The gating grid of the MWPCs is operated in the open state allowing the ions from the amplification region to enter the drift volume. The magnitude of the distortions in this data is measured and compared to the expectations for the TPC upgrade and results from current simulations

Elektrostatische Simulationsstudien zum Übergangsstrahlungsdetektor des CBM-Experiments

Das CBM-Experiment an der Forschungseinrichtung FAIR in Darmstadt wird in Zukunft das Phasendiagramm der QCD im Bereich von niedrigen bis moderaten Temperaturen und hohen Baryondichten untersuchen und dabei mit hadronischen und elektromagnetischen Sonden eine Vielzahl an Observablen messen. Um Elektronen und Positronen von geladenen Pionen effizient zu unterscheiden werden mehrere Lagen von Übergangsstrahlungsdetektoren auf Basis von Vieldrahtproportionalkammern verwendet. Bei den hohen Reaktionsraten des CBM-Experiments von bis zu 10MHz am target sind schnelle Detektoren notwendig um die vielen Teilchen mit einer hohen zeitlichen Auflösung nachzuweisen. Aus diesem Grund werden am IKF der Goethe-Universität dünne MWPCs ohne zusätzliche Driftregion entwickelt, für die ein Eintrittsfenster aus dünner Mylarfolie mit einer kleinen Absorptionswahrscheinlichkeit der TR-Photonen in Betracht gezogen wird. Bei großen Detektoren beult sich ein dünnes Folienfenster bereits bei Druckunterschieden von einigen Mikrobar aus, was eine Variation der Gasverstärkung zur Folge hat. Mit Garfield-Simulationen wurde die relative Änderung der Gasverstärkung in Abhängigkeit der Ausbeulung des Eintrittsfensters für Detektoren der Größe 4+4 mm, 5+5mm und 6+6mm mit den Gasgemischen Xe(80%)/CO2(20%) und Xe(90%)/CO2(10%) bestimmt. Um eine Gain-Stabilität von Δ,G = +/- 10% zu gewährleisten, beträgt die maximale Ausbeulung des Folienfensters durchschnittlich 120 μm +/- 5 μm bei der 4+4mm Kammer, 137 μm +/- 5 μm bei der 5+5mm Kammer und 154 μm +/- 6 μm bei der 6+6mm Kammer unabhängig vom Gasgemisch. Diese Ergebnisse stellen eine große Herausforderung für die Detektorentwicklung und -konstruktion dar. Eine Möglichkeit die Ausbeulung des Folienfensters zu minimieren ist ein geeigneter Aufbau, der die Folie verstärkt. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung einer Korrekturmethode, die die Gasverstärkung bzw. die gemessenen Signale abhängig von verschiedenen Drücken, Druckunterschieden und der damit verbundenen Ausbeulung des Eintrittsfensters korrigiert, wodurch die Signale reproduzierbar und vergleichbar werden. Weiterhin wurden die Elektron-Driftzeiten für die drei Kammergeometrien simuliert um eine Aussage über die Zeitauflösung des Detektors zu machen. Die Driftzeiten unter Verwendung eines Xe(90%)/CO2(10%) Gasgemischs sind dabei grundsätzlich größer als mit Xe(80%)/CO2(20%) und führen zu Zeitauflösungen von Δt ~ 40 ns bzw. Δt ~ 30 ns. Die maximalen Driftzeiten am äußeren Rand der Detektoren sind für alle Detektorgeometrien mit beiden Gasgemischen sehr klein im Vergleich zu den erwarteten durchschnittlichen Teilchenraten. Daraus folgt, dass die Zeitauflösung der untersuchten Detektoren die Erwartungen mit Hinblick auf die Reaktionsraten des CBM-Experiments erfüllt

The ALICE TPC: Optimization of the Performance in Run 2 and Developments for the Future

The Time Projection Chamber is the main tracking and particle identification detector of the ALICE experiment. The high luminosities delivered by the CERN LHC in Run 2 (2015-2018) posed new challenges in terms of detector performance and efficiency. The hardware components and calibration software were optimized and further developed to meet those challenges and maximize the quality of the data. In addition, unexpectedly large local distortions of the drift paths of ionization electrons have been observed at the edges of specific readout chambers. These distortions are caused by ions which originate at the readout chambers, leading to local space-charge accumulation in the drift volume of the TPC. A new calibration procedure has been developed to correct for the space-charge distortions. Extensive studies have been performed to understand the origin of the space charge as well as to find a way to effectively mitigate the effect. For Run 3 starting in 2021, the new readout chambers of the upgraded TPC will be based on Gas Electron Multipliers. This implies an intrinsic backflow of ions which leads to large space-charge distortions in most of the TPC drift volume at the highest luminosities. The simulation and calibration of the space-charge effect are a major part of the new detector software framework

Reconstruction in ALICE and calibration of TPC space-charge distortions in Run 3

The ALICE experiment will run with continuous readout at interaction rates of up to 50 kHz in Pb-Pb collisions during Run 3 of the LHC. In order to achieve this goal, a new data processing scheme and software are developed. This scheme strongly relies on GPUs (Graphics Processing Unit) for fast online and offline calibration and reconstruction as well as on efficient data compression. On the hardware side, the Time Projection Chamber (TPC), among other detector systems, received major upgrades to its readout chambers and readout electronics. The multiwire proportional chambers were replaced by stacks of four Gas Electron Multiplier foils to allow for continuous readout while keeping the ion backflow below 1%, minimizing space-charge effects from amplification ions entering the drift volume. Nevertheless, significant space-point distortions due to space charge are expected at the highest interaction rates in Pb-Pb collisions. In addition, space-charge density fluctuations lead to distortion fluctuations which have to be corrected on time scales of 10 ms in order to preserve the intrinsic tracking resolution of the TPC. While the average space-charge distortions can be corrected using information from external detectors as a reference, data-driven machine learning algorithms and convolutional neural networks are foreseen to provide the correction for the distortion fluctuations.The ALICE experiment will run with continuous readout at interaction rates of up to 50 kHz in Pb-Pb collisions during Run 3 of the LHC. In order to achieve this goal, a new data processing scheme and software are developed. This scheme strongly relies on GPUs (Graphics Processing Unit) for fast online and offline calibration and reconstruction as well as on efficient data compression. On the hardware side, the Time Projection Chamber (TPC), among other detector systems, received major upgrades to its readout chambers and readout electronics. The multiwire proportional chambers were replaced by stacks of four Gas Electron Multiplier foils to allow for continuous readout while keeping the ion backflow below 1%, minimizing space-charge effects from amplification ions entering the drift volume. Nevertheless, significant space-point distortions due to space charge are expected at the highest interaction rates in Pb-Pb collisions. In addition, space-charge density fluctuations lead to distortion fluctuations which have to be corrected on time scales of 10 ms in order to preserve the intrinsic tracking resolution of the TPC. While the average space-charge distortions can be corrected using information from external detectors as a reference, data-driven machine learning algorithms and convolutional neural networks are foreseen to provide the correction for the distortion fluctuations

Ion movement and space-charge distortions in the ALICE TPC

The Time Projection Chamber (TPC), a large gaseous detector, is the main particle identification device of the ALICE experiment at the CERN LHC. The desired performance of the TPC defines the requirements for the gas mixture used in the detector. The active volume was filled with either Ne-CO2 (90-10) or Ne-CO2-N2 (90-10-5) during the first LHC running period. For LHC Run 2 the gas mixture is changed to Ar-CO2. Calculations of relevant gas properties are performed for Ar-based gas mixtures and compared to Ne-based gas mixtures to identify the most suitable Ar mixture. The drift velocity of ions in Ar is lower than in Ne. The closing time of the gating grid has to be adjusted accordingly to avoid drift field distortions due to back-drifting ions. The drift times of ions in the TPC readout chambers are calculated for the respective gas mixtures to determine the time to collect all ions from the amplification region. For LHC Run 3 the TPC readout chambers will be upgraded. The Multiwire Proportional Chambers (MWPCs) will be replaced by readout chambers based on Gas Electron Multipliers (GEMs) which are operated in continuous mode. As a consequence an ion backflow of the order of 1% causes significant space-charge distortions in the TPC drift volume. Similar distortions are expected in data taken specifically for the study of space-charge effects at the end of Run 1. The gating grid of the MWPCs is operated in the open state allowing the ions from the amplification region to enter the drift volume. The magnitude of the distortions in this data is measured and compared to the expectations for the TPC upgrade and results from current simulations

Studies and mitigation of space-charge distortions in the ALICE TPC in LHC run 2

Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP. Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann. In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren. Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird. Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte

Track Reconstruction in a High-Density Environment with ALICE

ALICE is the dedicated heavy-ion experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC). Its main tracking and particle-identification detector is a large volume Time Projection Chamber (TPC). The TPC has been designed to perform well in the high-track density environment created in high-energy heavy-ion collisions. In this proceeding, we describe the track reconstruction procedure in ALICE. In particular, we focus on the two main challenges that were faced during the Run 2 data-taking period (2015–2018) of the LHC, which were the baseline fluctuations and the local space charge distortions in the TPC. We present the corresponding solutions in detail and describe the software tools that allowed us to circumvent these challenges.ALICE is the dedicated heavy-ion experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC). Its main tracking and particle-identification detector is a large volume Time Projection Chamber (TPC). The TPC has been designed to perform well in the high-track density environment created in high-energy heavy-ion collisions. In this proceeding, we describe the track reconstruction procedure in ALICE. In particular, we focus on the two main challenges that were faced during the Run 2 data-taking period (2015--2018) of the LHC, which were the baseline fluctuations and the local space charge distortions in the TPC. We present the corresponding solutions in detail and describe the software tools that allowed us to circumvent these challenges

Deep neural network techniques in the calibration of space-charge distortion fluctuations for the ALICE TPC

The Time Projection Chamber (TPC) of the ALICE experiment at the CERN LHC was upgraded for Run 3 and Run 4. Readout chambers based on Gas Electron Multiplier (GEM) technology and a new readout scheme allow continuous data taking at the highest interaction rates expected in Pb-Pb collisions. Due to the absence of a gating grid system, a significant amount of ions created in the multiplication region is expected to enter the TPC drift volume and distort the uniform electric field that guides the electrons to the readout pads. Analytical calculations were considered to correct for space-charge distortion fluctuations but they proved to be too slow for the calibration and reconstruction workflow in Run 3. In this paper, we discuss a novel strategy developed by the ALICE Collaboration to perform distortion-fluctuation corrections with machine learning and convolutional neural network techniques. The results of preliminary studies are shown and the prospects for further development and optimization are also discussed