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2015 | Buch

Motivation Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Szintillationsdetektoren mit Silizium-Photomultipliern

Prototypen für eine Erweiterung des Myon-Triggers am CMS-Experiment

verfasst von: Simon Weingarten

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : BestMasters

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Simon Weingarten beschreibt die Entwicklung von Teilchendetektoren für ein Upgradeprojekt des Triggersystems im CMS-Experiment. Auf Basis von schnellen Plastikszintillatoren und Silizium-Photomultipliern (SiPM) entwickelt der Autor einen neuen Myon-Detektor, der eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit mit großer Signalreinheit verbindet. Der Einfluss verschiedener Modulparameter, wie z.B. die optische Ankopplung zwischen Szintillator und SiPM oder der Einsatz von reflektierenden Szintillatorumwickelungen, wird systematisch untersucht.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Motivation
Zusammenfassung
Als Einleitung in das Themengebiet der vorliegenden Arbeit werden in den Unterkapiteln 1.1 und 1.2 zunächst der LHC-Beschleuniger und das CMS-Experiment vorgestellt. Abschnitt 1.3 beschreibt anschließend die Upgradepläne für den LHC-Beschleuniger sowie damit verbundene Herausforderungen an den Betrieb des CMS-Detektors. Als eine mögliche Erweiterung des CMS-Experimentes zur Bewältigung dieser Herausforderungen wird in Teil 1.4 das Muon Track fast Tag-Projekt vorgestellt.
Simon Weingarten
2. Theoretische Grundlagen
Zusammenfassung
Das folgende Kapitel gibt eine kurze Einführung in die theoretischen Grundlagen einiger physikalischer Phänomene, die dem besseren Verständnis der Funktionsweise des Prototypmoduls und der vorgestellten Messungen dienen. Da alle Messungen im Hauptteil der Arbeit mit kosmischen Myonen durchgeführt wurden, beschreibt Unterkapitel 2.1 zunächst deren Entstehung und führt ihre wichtigsten Eigenschaften auf. Kapitel 2.2 erklärt, wie diese Myonen und andere schwere geladene Teilchen mit Materie wechselwirken und Abschnitt 2.3 beschreibt Szintillatoren, d. h. Materialien, welche die deponierte Energie dieser Wechselwirkungen in Licht umwandeln. Abschließend stellt Kapitel 2.4 Silizium-Photomultiplier als Instrumente vor, die Lichtpulse in elektrische Signale umwandeln können.
Simon Weingarten
3. Das Prototypmodul
Zusammenfassung
Das folgende Kapitel stellt den MTT-Prototypen vor, der auf einem schnellen Plastikszintillator basiert, der von zwei SiPMs ausgelesen wird. Zunächst werden in Unterkapitel 3.1 der Modulaufbau und die verwendeten Komponenten dargestellt. Unterkapitel 3.2 gibt eine genauere Beschreibung der Frontend-Elektronik und Abschnitt 3.3 stellt den vorherigen MTT-Prototypen und Ergebnisse vorangegangener Arbeiten vor.
Simon Weingarten
4. Messaufbau und Methodik
Zusammenfassung
Das folgende Kapitel stellt den Versuchsaufbau der Prototypuntersuchungen vor und dient der besseren Nachvollziehbarkeit der Messungen des Hauptteils. Zunächst wird in Abschnitt 4.1 die verwendete Laborausstattung vorgestellt, anschließend erläutert Unterkapitel 4.2 den entworfenen Messaufbau. Teil 4.3 enthält eine kurze Beschreibung der implementierten Messprogramme und Abschnitt 4.4 definiert ein Qualitätskriterium für Prototypmessungen, anhand dessen im anschließenden Hauptteil verschiedene Modulkonfigurationen miteinander verglichen werden.
Simon Weingarten
5. Untersuchungen am 10 × 10cm2 Modul
Zusammenfassung
Dieses Kapitel stellt den Hauptteil der vorliegenden Arbeit dar. Einzelne Parameter des MTT-Prototypmoduls werden systematisch untersucht und hinsichtlich der Signalhöhe und folglich des Signal-Rausch-Verhältnisses optimiert. Ein hohes Detektorsignal ergibt sich, wenn viel Szintillationslicht von den SiPMs eingesammelt wird: Man spricht in diesem Fall von einer hohen Lichtausbeute. Um die Lichtausbeute zu maximieren, werden die Szintillatordicke, die Eigenschaften einer reflektierenden Umwickelung des Szintillators, die Szintillatorpolitur und die Ankopplung der SiPMs an den Szintillator untersucht.
Simon Weingarten
6. Ausblick
Zusammenfassung
Obwohl der vorgestellte MTT-Prototyp mit einem Szintillator der Fläche 10 × 10 cm2 ausgiebig untersucht wurde und hervorragende Detektionseigenschaften für Myonen aufweist, sind für den Einsatz im Experiment noch viele Modifikationen nötig. Eine der vorrangigen Aufgaben im MTT-Projekt liegt momentan in der Bestimmung der optimalen Detektorgranularität, welche anhand von Simulationen bestimmt werden muss. Bei der angestrebten Position im Detektor muss eine Fläche von ca. 300m2 abgedeckt werden, daher ist eine Umsetzung des Systems mit 10 × 10 cm2 großen Modulen aus finanziellen Gründen wahrscheinlich nicht möglich.
Simon Weingarten
7. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung eines Detektorprototypen, der im Rahmen des Upgradeprojektes Muon Track fast Tag am CMS-Experiment als Myontrigger zum Einsatz kommen soll. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein Flash-ADC im VME-Standard in die Messumgebung der MTT-Gruppe integriert, der es erlaubt, Pulshöhenspektren der Prototypen zu untersuchen. Im Hauptteil der Arbeit wurde der Prototyp mit kosmischen Myonen vermessen und verschiedene äußere Parameter systematisch untersucht. Dabei konnte die Lichtausbeute des Detektors trotz halbierter Szintillatorbreite deutlich gesteigert und eine klare Trennung der Signalpulse vom elektronischen Rauschen erreicht werden.
Simon Weingarten
Backmatter
Metadaten
Titel
Szintillationsdetektoren mit Silizium-Photomultipliern
verfasst von
Simon Weingarten
Copyright-Jahr
2015
Electronic ISBN
978-3-658-09761-5
Print ISBN
978-3-658-09760-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-09761-5

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    Bildnachweise