Entwicklung von SiPM-basierter Auslese für Detektoren an R³B/FAIR und Untersuchung astrophysikalisch relevanter Kernreaktionen an R³B
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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. Datei-Upload durch TIB
The NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) plastic-scintillator-based time-of- ight detector for 0.1 to 1.6 GeV neutrons is currently under construction at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany. In its nal con guration, NeuLAND will consist of 3,000 plastic scintillator bars with a size of 2.7m × 5 cm × 5 cm that are read out on each end by fast timing photomultipliers. Here, data from a comprehensive study of an alternative light readout scheme using silicon photomultipliers (SiPM) are reported. For this purpose, a NeuLAND bar was instrumented on each end with a SiPM-based prototype of the same geometry as a 1 photomultiplier tube, including four 6×6mm2 SiPMs, ampli ers, high voltage supply, and microcontroller. Tests were done using the 35MeV electron beam of the superconducting Electron Linac for beams with high Brilliance and low Emittance (ELBE) with its picosecond-level time jitter in two di erent modes of operation, namely parasitic mode with one electron per bunch and single-user mode with 1 to 60 electrons per bunch. Acqiris fast digitizers were used for data acquisition. In addition, o -beam tests using cosmic rays and the NeuLAND data acquisition scheme have been carried out. Typical time resolutions of 𝜎 ≤ 120 ps were found for ≥95% e ciency for minimum ionizing particles, improving on previous work at ELBE and exceeding the NeuLAND timing goal of 𝜎 < 150 ps. Over a range of 10 to 300MeV deposited energy in the NeuLAND bar, the gain was found to deviate by ≤10% (≤20%) from linearity for 35 µm (75 µm) SiPM pitch, respectively, satisfactory for calorimetric use of the full NeuLAND detector. The dark rate of the prototype studied was found to be lower than the expected cosmic-ray induced background in NeuLAND. In addition, simulations in Geant4 were developed to understand electron scattering and the propagation of scintillation light as well as the time behavior of SiPMs. Additionally, collaboration and data evaluation of experiments on astrophysically interesting reactions in the form of the coulomb breakup reaction 16O(𝛾,𝛼)12C at R³B/GSI were part of this work and methods for data quality analysis of large scale detectors were developed. Some of the development steps, measured data and results presented in this thesis regarding the developed SiPM prototype for NeuLAND have already been published in a peer-reviewed journal: [1] Thomas Hensel, DavidWeinberger, Daniel Bemmerer, Konstanze Boretzky, Igor Ga²pari ¢, Daniel Stach, Andreas Wagner and 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.