Design eines neuen Lichtpulsersystems sowie Aufbau und Inbetriebnahme der neuen APD Auslese für das Crystal-Barrel-Kalorimeter

Abstract

Um ein tieferes Verständnis von der Struktur der Nukleonen sowie der starken Wechselwirkung zu erhalten, werden am CBELSA/TAPS-Experiment Doppelpolarisationsmessungen in der Meson-Photoproduktion durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse können bei einer ausreichenden Datenbasis durch eine Partialwellenanalyse den Zugang zum Anregungsspektrum der Nukleonen bieten. Insbesondere müssen hier existierende Messdaten der Photoproduktion am Proton zusätzlich durch Messdaten am Neutron ergänzt werden. Bezüglich der starken Wechselwirkung können Proton und Neutron als zwei Zustände eines Teilchens angesehen werden, allerdings zeigen sie deutliche Unterschiede in der Anregungsstärke der einzelnen Resonanzen. Mit dem CBELSA/TAPS-Experiment sind bereits zahlreiche Polarisationsmessungen am Proton durchgeführt worden. Messungen am Neutron erfolgten bisher nur mit geringer Effizienz.<br /> Zur Steigerung der Nachweiseffizienz von Reaktionen mit vollständig neutralen Endzuständen, wie zum Beispiel γn → n π⁰, wurde das Crystal-Barrel-Kalorimeter (1320 CsI(Tl)-Kristalle) umgebaut. Das Ersetzen der Ausleseelektronik durch eine neue, auf Avalanche-Photo-Dioden (APDs) basierende Elektronik ermöglichte den Aufbau eines neuen Signalzweigs. Durch diesen wird sowohl eine Zeitinformation aus dem Hauptkalorimeter gewonnen als auch ein neuer schneller Cluster-Trigger ermöglicht, der zu einer Steigerung der Nachweiseffizienz führt.<br /> In dieser Arbeit werden die für den Umbau durchgeführten Voruntersuchungen diskutiert, insbesondere die Charakterisierung der Eigenschaften von 3500 APDs. Ihr Verstärkungsverhalten abhängig von der Temperatur (im Mittel (-2,27+-0,08)%/K) und der Sperrspannung (im Mittel (2,92+-0,08)%/V) war unter anderem Gegenstand der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit ist im Kalorimeter durch eine analoge Kompensationsschaltung im Bereich von 27°C bis 28°C auf unter 0,1% ausgeglichen.<br /> Zur Überwachung der Verstärkung der APDs sowie zu Kalibrationszwecken wurde ein neuer, auf LEDs basierender Lichtpulser entwickelt, der Szintillationsereignisse simuliert. Ausführliche Untersuchungen zeigten die Leistungsfähigkeit in der Überwachung der Kalorimeterelektronik mittels des Lichtpulsers. Veränderungen in der Verstärkung der APDs können mit einer Unsicherheit von unter 0,02% identifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass Daten, welche eine Verstärkungsschwankung der APDs beinhalten, sich durch Messungen mit dem Lichtpulser korrigieren lassen.<br /> In einer abschließenden Messung an einem energiemarkierten Photonenstrahl mit 9 Detektormodulen der neuen Ausleseelektronik wurde diese Elektronik für den Umbau des Kalorimeters qualifiziert sowie die Energie- und Zeitauflösung bestimmt. Darauf basierend wurden alle 1320 Detektormodule umgebaut.<br /> Der Umbau aller Module ist abgeschlossen sowie das Crystal-Barrel-Kalorimeter wieder zusammengesetzt und an seiner Messposition aufgebaut. Messungen an polarisierten Neutronen können jetzt mit hoher Effizienz durchgeführt werden und können einen großen neuen Beitrag zu einer ausreichenden Datenbasis liefern.