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Aufbau und Test eines Szintillationsfaser-Detektors für das neue Vorwärtsspektrometer an ELSA

Böse, Sabine - Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (2016)


Im physikalischen Fokus des BGO-OD-Experiments an der Beschleunigeranlage ELSA in Bonn steht die Mesonphotoproduktion an Nukleonen. Ein Ziel ist die genaue Bestimmung der Anregungsspektren von Protonen und Neutronen. Hierfür sollen die Zerfallsprodukte von zuvor mit Photonen angeregten Nukleonen registriert werden. Mit dem BGO-OD-Experiment sollen vor allem Reaktionen nachgewiesen werden, deren geladene Endprodukte unter kleinen Vorwärtswinkeln, d.h. Θ ≤ 10 °, aus dem Target emittiert werden. Hierfür wurde ein Vorwärtsspektrometer aufgebaut, welches dazu dient, Impuls und Flugzeit der Teilchen zu messen. Dafür müssen die Spuren der Teilchen präzise rekonstruiert werden können. Dies wird über verschiedene ortssensitive Detektoren realisiert, welche sich vor und hinter einem Dipolmagneten mit großem Öffnungswinkel befinden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Szintillationsfaserdetektor aufgebaut, der einen Punkt von den zwei Punkten liefert, aus denen die Spur vor dem Magneten gebildet wird.

Der Szintillationsfaserdetektor besteht aus 640 szintillierenden Fasern, welche die Eintrittsöffnung des Dipolmagneten des Vorwärtsspektrometers abdecken. Sie sind in zwei um 90° zueinander verdrehten Faserlagen so angeordnet, dass eine aktive Fläche von 66,4 cm 53,6 cm entsteht. Die Lichtsignale aus den Fasern werden mit 16-fach Photomultipliern ausgelesen und gelangen von dort über Diskriminatoren zu TDCs, die ein Zeitsignal und ein Triggersignal liefern. Diese Signale werden dazu verwendet, den durch die Fasern gelieferten Durchstoßpunkt zeitlich der Spur eines Zerfallsproduktes zuzuordnen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die einzelnen Komponenten des Detektors entworfen. Durch den Entwurf wurde die erforderliche Orts- und Zeitauflösung von ≤ 2 mm bzw. ≤ 2 ns sowie ein modularer Aufbau, der eine einfache Wartbarkeit gewährleistet, erfüllt. Vor dem Zusammenbau wurde jede einzelne Faser getestet, sowie die Behandlung der Faserenden optimiert. Die Photomultiplier wurden auf Übersprecher hin untersucht. Für den Zusammenbau wurde ein Rahmen konstruiert, sodass die Fasern und Photomultiplier präzise befestigt werden können und die gewünschte aktive Fläche entsteht.

Im Folgenden wurde der vollständige Detektor in das Experiment integriert und an das Magnetfeld des Dipolmagneten angepasst. Im nächsten Schritt wurde der Detektor in Teststrahlzeiten auf seine Funktionalität überprüft und es wurden erste Daten aufgenommen. Die bei den Komponententests erzielten Ergebnisse und eine erste Analyse der Daten aus den Teststrahlzeiten werden in dieser Arbeit vorgestellt. Bei der Analyse hat die Zeitauflösung eine Breite von s = (1,132 ± 0,0001) ns und eine mittlere Effizienz der horizontalen Lage von 94,1% und der vertikalen von 93,7% mit jeweils einem Fehler von 0,7% wurde ermittelt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der neue Szintillationsfaserdetektor vollständig einsatzbereit ist und die an ihn gestellten Bedingungen erfüllt.


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