Characterization of silicon photomultipliers for the PERC experiment.

Abstract

Die PERC-Anlage (Proton and Electron Radiation Channel), die sich an der Neutronenquelle FRM II der Technischen Universität München (TUM) befindet, dient als saubere Quelle für Neutronenzerfallsprodukte ( Protonen und Elektronen).PERC soll zur Bestimmung des Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Quark-Mischungselements (Vud) beitragen, die Korrelationskoeffizienten des freien Neutronenzerfalls(a, A, b, C) messen und über neue effektive Kopplungen nach neuer Physik im TeV-Bereich suchen. Um die Einschränkungen früherer Messungen des freien Neutronenzerfalls zu überwinden, können systematische Effekte auf 10−4-Ebene kontrolliert werden.Etwa 2% der durch Neutronenzerfall erzeugten Elektronen werden vom Hauptdetektor des PERC zurückgestreut und geben nicht ihre ganze Energie an den Hauptdetektor ab. Um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, ist es wichtig,diese zurückgestreuten Elektronen nachzuweisen. Das Rückstreudetektorsystem besteht aus 2 Detektoren von denen jeder aus etwa 100 Hamamatu SiPM-Arrays(4×4), die mit einem einzigen Szintillator gekoppelt sind. Dies ergibt eine Gesamtmenge von 3200 SiPMs, die für diesen Detektor verwendet werden. Die Charakterisierung der einzelnen SiPMs ist der Schlüssel zum stabilen Betrieb des Detektors und entscheidend für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der gesammelten Daten.Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse charakterisieren eines dieser 4 × 4-Arrays. Das Array bietet auch die Möglichkeit, eine Anzahl von SiPMs gemeinsam auszulesen. Aus diesem Grund wurde das Array als einzelne Kanäle (acht verschiedene Kanäle), in Gruppen von vier Kanälen und mit allen 16 SiPMs gleichzeitig ausgelesen. Durch das gleichzeitige Auslesen von vier SiPMs erhöht sichdie Signaldauer um etwa den Faktor zwei und für das gesamte Gerät um einen weiteren Faktor zwei. Andererseits verbessert sich das SNR bei dieser kollektiven Auslesung um den Faktor 1.8. Das Rauschniveau wurde für verschiedene Szintillatoren,zunehmenden Bias-Strom, verschiedene Auslesemethoden (individuelle Auslesung, Gruppen von vier SiPMs gleichzeitig, die gesamte Einheit gleichzeitig)und Kabellängen bis zu 1.9 Metern untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnenbei der Festlegung der Bedingungen für das Rückstreudetektorsystem von PERC helfen.

The PERC (Proton and Electron Radiation Channel) facility, located at the neutronsource FRM II of the Technical University of Munich (TUM), serves as a clean source of neutron decay products, namely protons and electrons. PERCaims to contribute to the determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quarkmixingelement (Vud), measure the correlation coefficients of free neutron decay(a, A, b, C) and to search for new physics at the TeV scale via new effective couplings. To overcome the limitations of previous measurements on free neutron decay, systematic effects can be controlled on 10−4 level.About 2% of the electrons created by neutron decay get back scattered by themain detector of PERC and do not deposit their whole energy in the main detector.To reach the desired precision, it is important to detect these backscattered electrons. The backscatter detector system consists of two detectors, each of them consisting of approximately 100 Hamamatu SiPM arrays (4 × 4) coupled to a single scintillator. This gives a total amount of 3200 SiPMs used for this detectorsystem. Characterization of each SiPM is the key to stable detector operation and is crucial for achieving a good Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the collected data.The results presented in this thesis characterize one of these 4×4 arrays. The array also brings the opportunity to read out a number of SiPMs collectively. Because ofthis, the unit has been read out as individual channels (eight different channels), in groups of four channels, and with all 16 SiPMs simultaneously. Reading out fourSiPMs simultaneously increases the signal duration by approximately a factor of two, and for the whole unit, it is increased by another factor of two. On the otherhand, the SNR improves with this collective readout by a factor of 1.8. The levelof noise has been investigated for different scintillators, increasing bias current,different readout methods (individual readout, groups of four SiPMs simultaneous,the whole unit simultaneous), and cable lengths up to 1.9m. The results ofthis work can help with setting up conditions for the backscatter detector systemof PERC.