Entwicklung von SiPM-basierter Auslese für Detektoren an R³B/FAIR und Untersuchung astrophysikalisch relevanter Kernreaktionen an R³B

Abstract

Der auf Kunststoff-Szintillatoren basierende Flugzeitdetektor NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) für Neutronen von 0,1 bis 1,6 GeV wird derzeit in der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Deutschland, gebaut. In seiner endgültigen Kon guration wird NeuLAND aus 3.000 Kunststo -Szintillatoren mit einer Gröÿe von 2,7m × 5 cm × 5 cm bestehen, die an jedem Ende von Photomultipliern ausgelesen werden. In dieser Arbeit werden Daten aus einer umfassenden Untersuchung einer alternativen Lichtauslese mit Silizium-Photomultipliern (SiPM) vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde ein Neu-LAND-Szintillator an jedem Ende statt einem 1 -Photomultiplier mit einem SiPM-basierten Prototyp mit der gleichen Geometrie ausgerüstet, der vier 6×6mm2 SiPMs, Verstärker, Hochspannungsversorgung und Mikrocontroller beinhaltet. Die Tests wurden unter Verwendung des 35 MeV-Elektronenstrahls des supraleitenden Elektronen-Linearbeschleunigers ELBE mit seinem Zeitjitter im Pikosekundenbereich in zwei verschiedenen Betriebsarten durchgeführt, nämlich im parasitären Modus mit einem Elektron pro Bündel und im Single-User-Modus mit 1 bis 60 Elektronen pro Bündel. Für die Datenerfassung wurden schnelle Digitizer von Acqiris verwendet. Darüber hinaus wurden O -Beam-Tests mit kosmischer Strahlung und dem NeuLAND-Datenerfassungsschema durchgeführt. Für minimal ionisierende Teilchen wurden E zienzen über 95% erreicht, die bei typischen Zeitau ösungen von 𝜎 ≤ 120 ps eine Verbesserung gegenüber früheren Arbeiten bei ELBE darstellen und das NeuLAND-Zeitziel von 𝜎 < 150 ps erfüllt. Über einen Bereich von 10 bis 300MeV deponierter Energie im NeuLAND-Szintillator wurde festgestellt, dass die Verstärkung um ≤10% (≤20%) von der Linearität für 35 µm (75 µm) SiPM-Module abweicht, was für die kalorimetrische Verwendung des vollständigen NeuLAND-Detektors zufriedenstellend ist. Die Dunkelrate des untersuchten Prototyps war niedriger als der durch kosmische Strahlung erwartete induzierte Hintergrund in NeuLAND. Zusätzlich wurden Simulationen in Geant4 zum Verständnis von Elektronenstreuung und Ausbreitung von Szintillationslicht sowie zum Zeitverhalten von SiPMs erarbeitet. Darüber hinaus war die Mitarbeit und Datenauswertung von Experimenten zu astrophysikalisch relevanten Reaktionen wie Coulomb-Aufbruchreaktion 16O(𝛾,𝛼)12C an R³B/GSI Teil dieser Arbeit und es wurden Methoden zur Analyse der Datenqualität von Groÿdetektoren entwickelt. Ein Teil der in dieser Arbeit in Kapitel 4 präsentierten Entwicklungsschritte, Messdaten und Resultate hinsichtlich der entwickelten SiPM-Auslese für NeuLAND sind bereits in folgender Publikation verö entlicht: [1] Thomas Hensel, DavidWeinberger, Daniel Bemmerer, Konstanze Boretzky, Igor Ga²pari ¢, Daniel Stach, Andreas Wagner und Kai Zuber. Study of a possible silicon photomultiplier based readout of the large plastic scintillator neutron detector NeuLAND . In: Nucl. Inst. Meth. A 1048 (2023), S. 167972. DOI: 10.1016/j.nima.2022.167972.