Entwicklung einer Spurkammer für das Studium von Driftfeld-Kalibrationsmethoden

Abstract

Bei der Erforschung von Materie hat man sich in der Geschichte schrittweise, durch Beobachtungen und Modelle, an ihre untergeordneten Strukturen herangetastet. Aus heutiger Sicht sind Quarks und Gluonen, neben den Elektronen, die fundamentalen Bestandteile der uns umgebenden Materie. Die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen wird in der Hadronenspektroskopie, ähnlich wie in der Atomspektroskopie, durch Anregung der inneren Freiheitsgrade zusammengesetzter Systeme studiert. Dies soll Aufschluss über die zugrundeliegende starke Wechselwirkung geben. Das CBELSA/TAPS-Experiment am Beschleuniger ELSA setzt diese Idee um, indem hochenergetische Photonen auf ruhende Protonen und Neutronen geschossen werden. Die dabei durch sog. Photoproduktion erzeugten Resonanzen zerfallen anschließend und die Zerfallsprodukte werden von einem umliegenden Verbund aus verschiedenen Detektoren gemessen. Dabei spielt der aus einer Vielzahl an Szintillationskristallen bestehende Crystal Barrel Detektor eine zentrale Rolle. Die Kristallsegmente sind fassförmig um ein zentrales Target angeordnet und decken damit einen großen Teil des vollen Raumwinkels 4π ab. Damit können die Messung der Energien sowie eine eingeschränkte Bestimmung der Flugrichtung elektromagnetisch wechselwirkender Zerfallsprodukte stattfinden. Endzustände mit mehreren geladenen Teilchen oder gemischt geladene Zustände können mit dem aktuellen Detektorverbund dennoch nicht eindeutig identifiziert werden. Zudem ist es nicht möglich Sekundärvertices zu vermessen. An dieser Stelle kann das Experiment durch die Hinzunahme eines Spurdetektors für geladene Teilchen erheblich profitieren, weshalb eine entsprechende Aufrüstung geplant ist. Hierfür vorgesehen ist eine Zeitprojektionskammer (engl. Time Projection Chamber, TPC), die bereits erfolgreich am FOPI-Experiment eingesetzt wurde. Die bislang unter dem Namen FOPI-TPC bekannte Spurkammer (hier: CB-TPC) soll in ihrem aktuellen Zustand als Testdetektor und Ausgangspunkt einer neuen Revision dienen. <br /> Mithilfe der FOPI-TPC konnte in einer früheren Publikation von F. V. Böhmer et al erstmalig die Einsatzfähigkeit von Gaselektronenvervielfachern (Gas Electron Multiplier, GEM) in einer großformatigen TPC gezeigt werden, welche zur Datennahme im Rahmen eines Experimentes der Hadronenphysik verwendet wurde. Der Einsatz von GEMs ermöglicht deutlich höhere Ereignisraten als sie mit früheren Verstärkungsstrukturen realisierbar waren. Dennoch können auch damit nicht alle Ionen vollständig davon abgehalten werden, in das Driftvolumen zu gelangen, was gerade bei hohen Ereignisraten zu lokalen Verzerrungen des elektrischen Feldes und damit zu einer Verfälschung der Ortsmessung führt. Neben diesen dynamischen Feldverzerrungen gibt es solche, die statischer Natur sind und z.B. auf mechanische Gegebenheiten des Detektors zurückzuführen sind. <br /> Um die Genauigkeit der Ortsmessung beim Rekonstruieren von Teilchenspuren zu erfassen und zu verbessern, muss ein entsprechendes Kalibrationssystem für die TPC vorgesehen werden. Vor diesem Hintergrund wird im Zuge dieser Arbeit eine modular aufgebaute Spurkammer (small Time Projection Chamber, sTPC) entwickelt, die es ermöglicht, verschiedene Detektorkomponenten, zum Zwecke von Tests, auszutauschen. Die Modifikation einzelner Komponenten ermöglicht es, Kalibrationssysteme und verschiedene Detektorkomponenten auf angemessenen Größenskalen zu testen. Das in dieser Arbeit umgesetzte Kalibrationssystem basiert auf dem photoelektrischen Effekt, wobei ein UV-Laser als Lichtquelle und eine speziell präparierte Photokathode als Quelle von Photoelektronen dienen. Nach einer Recherche zu Photokathodenmaterialien zur Umsetzung des Kalibrationssystems wird, aus Gründen der chemischen Stabilität, Aluminium als Ausgangsstoff für die Strukturen einer kupferbasierten Testkathode festgelegt. Mithilfe einer UV-LED wurde die Quanteneffizienz von Aluminium und Kupfer bei Normaldruck bestimmt. Die Ergebnisse stimmen hierbei mit Angaben anderer Quellen überein. <br /> Zur gleichmäßigen Ausleuchtung der präparierten Photokathode dient eine optische Anordnung, die einen Tief-UV-Laser sowie ein Bündel aus Multimode-Lichtleitern umfasst. Ein analytisches Modell zur Abstrahlcharakteristik der Lichtleiter wird in diesem Zusammenhang hergeleitet, um das Beleuchtungsprofil auf der Photokathode vorherzusagen. Auf Grundlage dieser Berechnung werden die Schleifwinkel der Faserenden ausgelegt. <br /> Begleitend zum Versuchsaufbau wird eine Monte-Carlo-Simulation programmiert, um das Detektorsignal eines Kalibrationsereignisses und Rekonstruktionsfehler abzuschätzen. Das Programm beschreibt die Signalerzeugung unter Berücksichtigung von Drift, Diffusion, Verstärkung sowie der Segmentierung der Auslesestruktur. Dabei fließen neben der elektronischen Antwort der Ausleseelektronik auch das Beleuchtungsprofil und die gemessenen Quanteneffizienzen ein. Der Entwurf des photoelektrischen Kalibrationsmusters kann schließlich auf Grundlage dieser Simulation hergeleitet werden. Abschließende Messungen, im vollen Umfang des Versuchsaufbaus, dienen zur Charakterisierung der sTPC. In diesem Kontext wird zunächst die Detektorverstärkung für zwei verschiedene Feldkonfigurationen ermittelt. Darüber hinaus wird ein Korrekturverfahren für mechanische und elektrostatische Fehljustagen entwickelt. In zwei weitestgehend voneinander unabhängigen Methoden wird erneut die Quanteneffizienz von Aluminium ermittelt. Eine hohe Diskrepanz der übereinstimmenden Ergebnisse zu der früheren Messung wirft hierbei neue Fragen auf. Es ist in Erwägung zu ziehen, dass dafür eine Aktivierung der Kathodenoberfläche durch Fremdmoleküle aus der Luft verantwortlich ist. Da die Kenntnis der Driftgeschwindigkeit entscheidend für die Ortsgenauigkeit entlang der Driftachse ist, wird eine Kalibration der Driftgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme photoelektrisch erzeugter Elektronen durchgeführt. Dabei wird insbesondere die Abhängigkeit von Druck und Temperatur geprüft. Im Rahmen der Messunsicherheiten stimmt das Resultat mit Daten einer anderen Quelle überein.