Optimierung von hochauflösenden Sampling-Kalorimetern mit szintillatorbasierter SiPM-Auslese
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Abstract
Durch die hohe Anzahl an Detektorkanälen in zukünftigen hochgranularen hadronischen Kalorimetern ist es notwendig Optimierungen und Verfahrenswege zu finden, um eine schnelle und effektive Produktion und Kalibrierung zu gewährleisten. Im Rahmen der CALICE-Kollaboration wird in dieser Arbeit ein Szintillatorkachel-Design für SMD-SiPMs (oberflächenmontierte Silizium-Photomultiplier) vorgestellt, welches durch Optimierungen eine hohe Leistungsfähigkeit in Bezug auf Lichtertrag und Uniformität vorweist. Dazu wird ein passender SiPM ausgewählt, welcher die Qualität der Messungen mit Hilfe einer Crosstalk-Unterdrückung stark verbessert.
Diese Szintillatorkacheln werden auf die HBU-Boards, die Ausleseboards des CALICE Analog Hadron Calorimeters (AHCAL), verbaut. Dafür wurden automatisierte Klebe- und Bestückungsverfahren genutzt, um die Kacheln präzise zu befestigen. Hierdurch konnten insgesamt 164 HBU-Boards, darunter 158 Module des technologischen AHCAL-Prototyps, erfolgreich bestückt werden. Mit dem Siebdruck- und dem Pick-and-Place-Verfahren wurde dabei gezeigt, dass eine skalierbare Bestückung möglich ist.
Zur Qualitätskontrolle und Kalibrierung dieser HBU-Boards erfolgte der Aufbau eines Teststands für kosmische Myonen sowie die Entwicklung eines Verfahrens, welches eine präzise Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Kanäle ermöglicht. Für ∼22000 Kanäle des technologischen AHCAL-Prototyps wurde damit ein mittlerer Lichtertrag von 14.0 ± 1.7 p.e. bestimmt. Ein Vergleich mit Testbeam-Daten validiert die hohe Präzision der Messung durch einen gemessenen Offset von 1.1% bei einer gaußschen Breite von 4%. Außerdem wurde die Uniformität der Lichterträge über alle Kanäle des Prototyps untersucht und Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt. Zwei solcher Teststände mit Modifikationen könnten einer Abschätzung nach eine skalierbare Kalibrierung des gesamten Kalorimeters ermöglichen.
Um die Produktion weiter zu vereinfachen, erfolgte eine Weiterentwicklung des Konzepts der Megatiles, große Szintillatorplatten, welche zur Segmentierung mit reflektierenden TiO2-Klebstoff-Separierungen ausgestattet sind. Hierfür wurde ein Laserteststand aufgebaut, um die optischen Eigenschaften dieser Schichten zu bestimmen. Die Ergebnisse lieferten deutliche Hinweise über die Abhängigkeiten der mit TiO2 gemischten Klebstoffe zum Lichtertrag der Megatiles. Eine optimierte Megatile in HBU-Größe erreichte bei verschiedenen Messungen hohe Lichterträge. Dazu wurde ein Analyseverfahren entwickelt, welches eine realistische Crosstalk-Obergrenze bestimmen konnte. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit ist die Bestimmung der Detektionseigenschaften des SHiP-Experiments für Axion-like Particles (ALPs). Dazu wurden X → γγ-Zerfälle simuliert und die Detektorsignale des SplitCAL-Kalorimeters genutzt, um eine Rekonstruktion zu ermöglichen. Die Szintillatorlagen wurden für die Energiemessung und die Hochpräzisionslagen für die Ortsbestimmung verwendet. Außerdem erfolgte eine Implementierung einer Hit- und Energiezuordnung zu den Photonen sowie eine Energiekalibrierung in der Simulation. Mit dieser Rekonstruktion ließ sich die Energieauflösung des SplitCALs erfolgreich ermitteln. Ebenso war eine präzise Bestimmung des Massewerts mit verschiedenen Fit-Methoden im Bereich von m = 0.25−1.5GeV erfolgreich.