Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-7043
Authors: Chau, Phi
Title: Optimierung von hochauflösenden Sampling-Kalorimetern mit szintillatorbasierter SiPM-Auslese
Online publication date: 23-Jun-2022
Language: german
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.
Due to a large number of detector channels in future highly granular hadronic calorimeters it is necessary to find optimisations and procedures to ensure a fast and effective production and calibration. In the framework of the CALICE collaboration a scintillator tile design for SMD SiPMs (surface mounted silicon photomultipliers) is presented which demonstrates high performance in terms of light yield and uniformity. For this purpose, a suitable SiPM is selected which improves the quality of the measurements via crosstalk suppression. These scintillator tiles are mounted on the HBU boards, the readout boards of the CALICE Analog Hadron Calorimeter (AHCAL). Automated gluing and mounting processes were used to precisely fix the tiles on the boards. With these procedures in total 164 HBU boards, including 158 modules of the technological AHCAL prototype, were successfully assembled. Thereby, screen printing and pick and place processes demonstrated the scalability of an automatic assembly. For quality assurance and calibration of these HBU boards a cosmic ray test stand was set up. Accompanying this, a measurement and analysis procedure was developed for a precise calibration of each channel’s performance. With this, an average light yield of 14.0 ± 1.7 p.e. for the ∼22000 channels of the technological AHCAL prototype was determined. A comparison with test beam data validates the high precision of the measurement by a measured offset of 1.1% with a gaussian σ of 4%. In addition, the uniformity of the light yield over all channels of the prototype was investigated and possibilities for improvement were identified. It was also estimated that two of such test stands with modifications could provide a scalable calibration of the entire calorimeter. For further simplification of the production process, the concept of Megatiles, structured, large scintillator plates with reflective TiO2 glue separations, was further developed. For a better understanding, a laser test stand was set up to determine the optical properties of these layers. The results provided indications about the dependencies of the TiO2 glue mixtures and light yield of the megatiles. An optimised HBU sized megatile achieved high light yield in different measurements. In addition, a new analysis method was developed which allows to set a realistic crosstalk upper limit. Another focus of this thesis is the determination of the detection properties of the SHiP experiment for axion-like particles (ALPs). For this purpose, X → γγ decays were simulated and the detector signals of the SplitCAL calorimeter were used for reconstruction. The scintillator layers were used for an energy measurement and the high precision layers were used for a hit position determination. Also hit and energy assignments to the photons were implemented and an energy calibration was performed in the simulation. With the implemented reconstruction a successful determination of the energy resolution of the SplitCAL was calculated. A precise determination of the mass value via different fitting methods was successfully performed in a mass range of m = 0.25−1.5GeV.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-7043
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-64666671-7691-4a16-82bb-80671ebe3e3e1
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC BY-ND
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent: ix, 211 Seiten (Illustrationen, Diagramme)
Appears in collections:JGU-Publikationen

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