Construction, Commissioning, and Installation of the Cylindrical GEM Inner Tracker of the BESIII Experiment

BESIII (BEijing Spectrometer III) is a particle physics experiment with a vast physics program centered around the study of charmonium and the τ lepton. The performance of the spectrometer's inner tracker, the innermost part of a large drift chamber, has been degrading due to aging phenomena related to the large particle rate. Planned upgrades to the BEPCII (Beijing Electron Positron Collider II) collider may further aggravate the problem, with the risk of disrupting the data taking. The Italian part of the BESIII collaboration proposed a detector based on cylindrical GEM (Gas Electron Multiplier) technology to replace the aging inner tracker. The new detector aims to improve the current tracker's spatial resolution in the beam direction at least a factor 2 and to ensure the continuation of BESIII's data taking until its end in 2030. After more than 10 years of design, development, and construction the three layers of the CGEM-IT (Cylindrical GEM Inner Tracker) are finally being installed in the spectrometer. The first production of the CGEM-IT's outermost and largest layer failed to power on due to mechanical instability of its floating electrodes. This thesis describes how the problem was first diagnosed and then tackled through a campaign of drop tests and CT scans conducted on a representative mock-up. The tests validated a new design for the outer layer reinforced with spacer grids and defined a load limit to ensure its safety during transport and handling. Airborne shipping of the fully assembled layer was deemed too risky, and a split construction was pursued instead. The delicate electrodes were produced in Italy, shipped while protected by their production mandrels, and finally assembled in China. Particular focus is given to the upgrade of the assembly machine with a new contactless alignment system, one of the major hurdles to overcome for the feasibility of the split construction. The new system, and the overhauled procedure developed alongside it, outperformed the previous alignment methods, ensuring a safe and smooth assembly of the electrodes in China. The validation of the newly produced layer, and then of the complete detector are described. Problematic HV sectors, due to the presence of pollutants on the GEM foils, were identified first through extensive electrical tests and then recovered through an electrical cleaning procedure. The CGEM-IT was fully cabled and deployed on a cosmic ray telescope setup to assess its performance. Tools and software used for operating the detector are introduced and the preliminary results of the cosmic ray data taking are reported. Due to the accelerator's tight schedule, the installation of the detector was prepared in parallel to its validation with cosmic ray data. Two tests were performed to define and practice the procedure for inserting the inner tracker in BESIII. The installation tooling underwent a major review between the two tests, to ensure the safety of the delicate CGEM layers and the other subsystems of BESIII. All the preparatory work done led to the successful deployment of the CGEM-IT and its first power on at nominal values inside the BESIII experiment.

BESII (Beijing Spectrometer III) è un esperimento di fisica delle alte energie il cui vasto programma di ricerca si concentra sullo studio del charmonio e del leptone τ. Le prestazioni del tracciatore interno dello spettrometro, la parte più interna di una camera a deriva di grandi dimensioni, sono progressivamente peggiorate a causa di fenomeni di invecchiamento dovuti all’alto flusso di particelle. Gli interventi di potenziamento previsti per BEPCII (Beijing Electron Positron Collider II) potrebbero aggravare ulteriormente la situazione, con il rischio di interrompere la presa dati. La componente italiana della collaborazione BESIII ha avanzato una proposta di rivelatore basato su GEM (Gas Electron Multiplier) cilindriche. Questo nuovo rivelatore promette di migliorare la risoluzione nella direzione del fascio almeno di un fattore 2, nonché di assicurare il proseguimento della presa dati fino al suo completamento, nel 2030. Dopo oltre dieci anni di progettazione, sviluppo e costruzione, l’installazione dei tre strati del CGEM-IT (Cylindrical GEM Inner Tracker) si sta finalmente avvicinando alla sua conclusione. L’instabilità meccanica degli elettrodi flottanti ha prevenuto il funzionamento della prima versione dello strato più esterno del CGEM-IT. Questa tesi descrive come il problema è stato dapprima diagnosticato e successivamente risolto tramite una campagna di test di caduta seguiti da tomografia computerizzata, condotti su un modello rappresentativo del rivelatore. I test hanno confermato l’efficacia di un nuovo design rinforzato da griglie distanziali e hanno consentito di definire un limite di carico massimo che garantisse la sicurezza del rivelatore durante le movimentazioni. La collaborazione ha giudicato troppo rischiosa una spedizione per via aerea del rivelatore completamente assemblato, optando quindi di suddividere la costruzione. I delicati elettrodi sono stati costruiti in Italia, spediti mentre ancora supportati dai mandrini di produzione e infine assemblati in Cina. Particolare attenzione viene dedicata nella tesi alla revisione della macchina di assemblaggio del rivelatore, finalizzata all’installazione di un nuovo sistema di allineamento che non necessitasse di contatto, uno dei principali ostacoli da superare per il successo della nuova procedura di costruzione. Il nuovo sistema, e la procedura di allineamento sviluppata di conseguenza, hanno superato la precisione dei metodi di allineamento tradizionali, garantendo l’assemblaggio in sicurezza degli elettrodi. La validazione del nuovo strato del CGEM-IT, e successivamente del rivelatore completo, è descritta in dettaglio. I settori problematici, dovuti alla presenza di particolato sui fogli GEM, sono stati dapprima identificati per mezzo di una serie di test di accensione e successivamente recuperati tramite una procedura di pulizia elettrica. Il CGEM-IT è stato interamente cablato e attrezzato in un setup per la raccolta di dati da raggi cosmici, al fine di misurare le sue prestazioni. Sistemi e software che hanno consentito di operare il rivelatore sono descritti in dettaglio e vengono presentati i risultati preliminari della presa dati. La rigorosa programmazione dell’acceleratore ha richiesto che la preparazione dell’installazione del nuovo rivelatore fosse portata avanti in parallelo alla sua validazione. Due test sono stati condotti per definire le procedure per l’inserimento del nuovo tracciatore interno in BESIII e per metterle alla prova. La strumentazione progettata per installare il rivelatore è stata sottoposta a un importante lavoro di revisione, al fine di assicurare la sicurezza dei delicati strati del CGEM-IT e degli altri sottosistemi di BESIII durante le operazioni. Il corposo lavoro di preparazione svolto ha portato alla riuscita installazione del rivelatore e alla sua prima accensione a valori nominali all’interno dell’esperimento.