Studies of SiPM photosensors for time-of-flight detectors within PANDA at FAIR

Abstract

PANDA ist ein Experiment auf dem Gebiet der Teilchenphysik, welches sich derzeit in Planung befindet und am Beschleunigerzentrum FAIR in Betrieb gehen wird. Das Experiment widmet sich der Untersuchung der starken Wechselwirkung mit Hilfe von Annihilationen zwischen Protonen und Antiprotonen. Ein wesentlicher Teil des Experiments ist der Flugzeitdetektor, da dieser für eine möglichst genaue Zeitmessung und damit für die zeitliche Trennung von aufeinanderfolgenden Ereignissen sowie die Identifikation verschiedener Teilchenarten von großer Bedeutung ist. Der Detektor besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von kleinen Plastikszintillatorplättchen mit einer Größe von ungefähr 30 x 30 x 5 mm3 und wird deshalb auch als Szintillatorkachel-Hodoskop oder kurz SciTil-Hodoskop bezeichnet. Um die Szintillationsphotonen nachzuweisen, werden an jedem Szintillator sogenannte Silizium-Photoelektronenvervielfacher (SiPM) angebracht. Der gesamte Detektor besteht aus insgesamt 5760 einzelnen Plastikszintillatoren und erstreckt sich über eine Gesamtfläche von rund 5.2 m2. Die wichtigste Anforderung an den Detektor ist das Erreichen einer Zeitauflösung im Bereich von 100 ps (sigma). Des Weiteren sollte die Menge an benötigtem Detektormaterial minimiert werden, um einerseits die vorgegebenen Dimensionen hinsichtlich des gesamten PANDA Detektors erfüllen zu können, und andererseits andere Detektorsysteme nicht zu beeinträchtigen. Die bereits erwähnten SiPM haben sich als extrem vielseitige Alternative zu traditionellen Vakuum-Photoelektronenvervielfachern (PMT) etabliert und werden bereits in vielen Bereichen der Teilchenphysik, aber auch in bildgebenden Verfahren der Medizin verwendet. Aufgrund ihrer Eigenschaften, wie zum Beispiel gute Zeitauflösung und Effizienz, kompakter Aufbau, niedrige Betriebsspannung, Strahlungsresistenz oder geringer Kostenaufwand, eignen sich SiPM für den Einsatz in Experimenten der Hochenergiephysik, wie beispielsweise PANDA. Ein wesentlicher Unterschied im Vergleich zu herkömmlichen PMTs ist die Unempfindlichkeit gegenüber teils hohen Magnetfeldern. Diese relativ neue Detektortechnologie befindet sich in ständiger Weiterentwicklung und so wurde vor kurzem der erste digitale SiPM (DPC) von Philips auf den Markt gebracht. Bei dieser neuen Entwicklung ist die Ausleseelektronik in den Photosensor integriert, wodurch ermöglicht wird, die gewissermaßen digitale Funktionsweise des SiPM besser umzusetzen. Konventionelle analoge SiPM und der Philips DPC wurden für den Großteil der hier vorgestellten Untersuchungen und Resultate verwendet. Um die verwendeten Photodetektoren zu charakterisieren und deren Funktionsweise bestmöglich zu verstehen, wurde eine detaillierte experimentelle Studie unter Verwendung von gepulsten Lasern durchgeführt. Die Pulsbreite lag dabei im Bereich von einigen Picosekunden oder Femtosekunden. Speziell im Hinblick auf Detektoranwendungen in der Hochenergiephysik, wie zum Beispiel im PANDA Flugzeitdetektor, wurden Parameter wie die interne Verstärkung der SiPM, die Dunkelzählrate, Zeitauflösung, die benötigte Zeit zur Wiederherstellung nach dem Detektieren von Photonen und das dynamische Verhalten sowie deren Abhängigkeit von Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen untersucht. Im Zuge der Messungen wurde unter anderem speziell auf die intrinsische Zeitauflösung von analogen und digitalen SiPM Wert gelegt. Es zeigte sich, dass SiPM welche mit neuen Technologien zur Reduktion von optischem Übersprechen zwischen benachbarten Zellen oder der Emission verzögerter Ladungsträger ausgestattet sind, allgemein bessere Resultate liefern und auch größere Bereiche der Betriebsparameter zulassen, da sie weniger stark auf Temperatur- oder Spannungsschwankungen reagieren. Solch eine Neuheit ist beispielsweise der Einsatz von speziellen optischen Begrenzungen zwischen den einzelnen Zellen. Wie die dargelegten Ergebnisse zeigen sind SiPM in jedem Fall für die vorgesehene Anwendung als Photodetektoren für das SciTil-Hodoskop geeignet. Zur weiteren Entwicklung eines geeigneten Szintillationsdetektors mit ausreichender Zeitauflösung für das PANDA Experiment wurde eine weitere detaillierte Studie durchgeführt, deren Ziel es war, die einzelnen Faktoren, welche die Zeitauflösung beeinflussen, genauer zu untersuchen und zu verstehen. Der erste Teil dieser Untersuchung konzentrierte sich auf die theoretische Behandlung der Zeitauflösung von Plastikszintillatoren, welche durch die Statistik der Emission von Szintillationsphotonen als auch durch den Einfluss der Lichtausbreitung im Szintillator limitiert ist. Des Weiteren wurden verschiedene Materialien und Versuchsdetektoren unter gleichbleibenden experimentellen Bedingungen getestet und verglichen, um verschiedenste Parameter wie beispielsweise das Szintillatormaterial und die Szintillatorgeometrie, die Photodetektorposition sowie die Anzahl der Detektoren oder den Auslöseschwellwert der Elektronik zu untersuchen. Beim Vergleich von verschiedenen Szintillatormaterialien zeigte sich wie die Zeitauflösung von den Zeitkonstanten des Szintillationsprozesses und der Lichtausbeute beeinflusst wird. Das Experiment bestätigte die theoretischen Überlegungen, nämlich dass Szintillatoren für hohe Zeitauflösung möglichst kurze Zeitkonstanten und maximale Lichtausbeute vorweisen sollten. Die Geometrie des Szintillators verändert den Einfluss der Lichtausbreitung und damit auch die Zeitauflösung. Eine Vergrößerung der Seitenlänge der Szintillatorplättchen wirkte sich deshalb negativ auf die Zeitauflösung aus. Durch die Verwendung einer 90Sr-Quelle und die Auslese eines EJ-228 Plastikszintillators mit Hilfe des Philips DPC konnte schließlich eine Zeitauflösung von - = 62.3 ± 0.8 ps erzielt werden. Schlussendlich war es das Ziel die erforderliche Zeitauflösung von - ~ 100 ps nicht nur im Labor sondern auch in einem hochenergetischen Teilchenstrahl an einer Beschleunigeranlage zu erreichen. Aus diesem Grund wurde ein Prototyp desSciTil-Detektors konstruiert und in einem 2.7 GeV/c Protonenstrahl am Forschungszentrum Jülich getestet. Die Resultate dieses Experiments werden in der vorliegenden Arbeit ausführlich besprochen. Im Zuge der Messung wurden zahlreiche SiPM von verschiedenen Anbietern mit einer sensitiven Fläche von 3 x 3 mm2 und ebenso der Philips DPC mit unterschiedlichen Plastikszintillatoren kombiniert, um die beste Abstimmung zu finden. Die Ergebnisse zeigen in erster Linie, dass Variationen der Energiedeposition im Szintillator und der Anzahl der detektierten Photonen einen gravierenden Einfluss auf die Zeitauflösung haben, da dadurch die erhaltenen Zeitstempel einer erheblichen Schwankung unterliegen. Korrigiert man jedoch für diese Fluktuationen, kann die Zeitauflösung drastisch verbessert werden, und Werte deutlich unter 100 ps (sigma) sind möglich. Unter Verwendung von zwei SiPM der Firma KETEK (PM3360TS) in Kombination mit einem EJ-232 Plastikszintillator konnte eine Zeitauflösung von - = 82.5 ± 1.7 ps erzielt werden. Mit dem Philips DPC als Photodetektor wurde ein Wert von - = 35.4 ± 0.4 ps erreicht. Um die Optimierung der Szintillationsdetektoren für PANDA noch weiter voranzutreiben und die Grenzen der Zeitauflösung zu erreichen, wurde ein auf Geant4 basierendes Simulationsprogramm entwickelt. Die Simulation wird dabei behilflich sein die physikalischen Prozesse noch genauer zu untersuchen und experimentelle Daten noch genauer zu verstehen. Des Weiteren kann das Programm dazu verwendet werden verschiedenste Szintillatorgeometrien einfach zu vergleichen, um den endgültigen Detektoraufbau zu fixieren. Erste Simulationen eines einfachen Szintillationsdetektors, bestehend aus einem Szintillator und zwei Photodetektoren, zeigten bereits, dass experimentelle Tendenzen zur Anzahl der detektierten Photonen und Zeitauflösung gut wiedergegeben werden können. So wurde beispielsweise durch die Simulation bestätigt, dass ein Szintillationsdetektor der auf höchste Zeitauflösung abzielt, nach Möglichkeit eine Vielzahl von Zeitstempeln desselben Ereignisses verwenden sollte, um den Zeitpunkt des Auftretens dieses Ereignisses möglichst genau bestimmen zu können.

The PANDA experiment at FAIR is a planned particle physics experiment dedicated to strong interaction studies using proton-antiproton annihilations. The PANDA time-of-flight (TOF) system is foreseen as a Scintillator Tile (SciTil) Hodoscope, which will deliver valuable input for event timing and particle identification. The proposed detector is based on small plastic scintillator tiles with a size of about 30 x 30 x 5 mm3, which are read-out with directly attached Silicon Photomultipliers (SiPMs). The whole system is composed of 5760 scintillator tiles and twice the number of photodetectors, covering an area of about 5.2 m2 in total. The requirements for the detector are a time resolution in the order of 100 ps sigma and a minimum use of material due to the limited space inside the PANDA spectrometer. SiPMs are extremely versatile photodetectors which tend to successively replace the ordinary vacuum Photomultiplier Tubes (PMTs) in many of the photosensing demands ranging from particle physics to medical imaging. Due to many advantages like good time resolution, high photon detection efficiency (PDE), compactness, low operating voltage, radiation hardness, low cost and, in contrast to PMTs, insensitivity to magnetic fields, SiPMs are well suited for applications in high energy physics like PANDA. Recently, Philips invented the first fully digital SiPM (DPC), which allows to exploit the quasi digital nature of single photon detection. The analog and digital SiPM, respectively, are the main detector technologies used within this work. This thesis describes a detailed study of SiPM properties in order to characterize the new devices and get a profound understanding of their functionality. The characterization studies have been carried out using various experimental setups employing pulsed pico- and femtosecond lasers. With regard to applications in high energy physics experiments, e.g. the PANDA TOF system, parameters like SiPM gain, dark count rate, time resolution, dynamic range and recovery time as well as their temperature dependence have been investigated. In this context, the time resolution of conventional analog SiPMs and of the digital SiPM is discussed. Using SiPMs with some technology against cross-talk and after-pulses, e.g. trenches between pixels, led to larger operating ranges and better overall performance. The presented results show that SiPMs are well suited for usage in the SciTil system. For the further development of a scintillator based detector suitable for PANDA, a detailed optimization study including parameters like the scintillator material and size, the photodetector position, type and quantity as well as the electronics threshold has been carried out. The aim was to find out how the individual parameters contribute to the time resolution of a scintillator based TOF detector and to finally achieve the goal of a time resolution below 100 ps sigma. In this context, also the statistics of photon emission as well as the photon propagation in a plastic scintillator are studied. Comparing different types of plastic scintillators showed that the scintillation time constants as well as the intrinsic light yield influence the time resolution. In this context, it was shown that scintillators for highest time resolution should provide short rise- and decay times and highest light output, as expected from theory. The geometry of the scintillator affects the time resolution as it defines the impact of photon propagation. Increasing the scintillator size led to reduced time resolution. In a basic measurement setup using a 90Sr source and an EJ-228 plastic scintillator read-out with the Philips DPC, a time resolution of - = 62.3 ± 0.8 ps could be eventually achieved. To finally proof the feasibility of reaching a time resolution of 100 ps sigma with the proposed scintillator tiles, a prototype SciTil detector based on the optimization studies has been developed and tested in a 2.7 GeV/c proton beam. Results of the beam test experiment at Forschungszentrum Jülich are presented. In course of the measurement, various commercially available SiPMs with 3 x 3 mm2 sensitive area as well as the Philips DPC have been employed in combination with different types of fast plastic scintillators. The data analysis showed that energy deposit fluctuations and variations in the number of detected photons have a big influence on the time resolution due to the time slewing effect. It is shown that applying appropriate corrections leads to drastic improvement in time resolution and values well below 100 ps sigma can be achieved. Using two KETEK SiPMs (PM3360TS) attached to an EJ-232 plastic scintillator, a time resolution of - = 82.5 ± 1.7 ps was obtained. Employing the Philips DPC, a value of - = 35.4 ± 0.4 ps was found. In order to further optimize the scintillation counters for the SciTil system, a simulation tool for scintillator based detectors using Geant4 has been developed. The simulation aims to provide a deeper understanding of the physical processes and will help to push the time resolution towards the limits and finalize the detector layout. Preliminary results on the detected number of photons and time resolution of a scintillator tile read-out with two photodetectors show that the simulation can already reproduce the trend of experimental results. In this context, the simulation confirms that a scintillation detector aiming at highest time resolution should make use of multiple time stamps.