dc.description.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.
de