Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3892
Achenbach, Carsten Patrick
Aufbau eines Bleifluorid-Kalorimeters zur Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektronenstreuung
II, 179 S., 2001
Die Struktur des Nukleons ist gegenwärtig Gegenstand intensiver Forschung. Obwohl
das Proton keine Seltsamkeit besitzt, existieren Hinweise aus der Pion-Streuung und aus
der tief unelastischen Streuung von Müonen, die nahe legen, daß strange Quark-
Antiquark-Paare wesentlich zu den Eigenschaften des Nukleons beitragen. Aus diesem
Grund untersucht die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron (MAMI) den möglichen
Beitrag der Seltsamkeit zu den Vektor-Formfaktoren des Nukleons. Dazu soll die
paritätsverletzende Asymmetrie in der elastischen Elektron-Proton-Streuung mit einer
Genauigkeit von 5% vermessen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das sehr dichte, schnelle und im ultravioletten
Spektralbereich außergewöhnlich transparente Cherenkov-Material Bleifluorid (PbF2) auf
eine Eignung als Nachweisdetektor untersucht. Diese Studien waren bestimmt durch die
systematischen Qualitätskontrollen von PbF2-Einkristallen bezüglich deren Lichtausbeute
und Strahlenresistenz sowie des Transmissionsgrades und dessen Homogenität.
Die Reintransmission optisch hochwertiger Kristalle liegt deutlich höher als bei
vergleichbaren Cherenkov-Materialien. Zusätzlich konnten Kristalle mit
Oberflächendefekten oder höherer Störstellenkonzentration vom chinesischen Hersteller
SICCAS ersetzt werden. Die mit einem hybriden Photovervielfacher ermittelte effektive
Lichtausbeute Np.e. beträgt etwa l,7 Photoelektronen pro MeV. Das Material zeigt eine
uneinheitliche Strahlenresistenz, wobei etwa ein Siebtel der untersuchten Kristalle
reduzierte Transmissionsspektren oder Absorptionsbanden aufwiesen. Eine Auflösung
der induzierten Farbzentren wurde sowohl mittels Lichtwellenleiter als auch durch direkte
Beleuchtung erreicht.
Weiterhin werden in dieser Arbeit eine Simulationsrechnung zur Intensität und
räumlichen Verteilung der Cherenkov-Photonen in PbF2 sowie parametrisierte
Modellrechnungen vorgestellt, mit deren Hilfe die Detektoren für den Nachweis
gestreuter Elektronen optimiert wurden.
Zeitlich daran anschließend wurde der Aufbau eines homogenen Kristall-Kalorimeters
realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird die fertige Konstruktion vorgestellt. Die 640
Detektoren bestehen aus den in Reflektormaterial eingepackten PbF2-Kristallen, den
Photovervielfachern mit zugehörigen Spannungsteilern sowie angekoppelten
Lichtwellenleitern. Eine erhebliche Schwierigkeit beim Aufbau stellten die
Größenschwankungen der Kristalle von bis zu ± 500 [my]m dar. Um Kristalle mit
mangelhafter Geometrie zurückweisen zu können, wurden alle Kristalle mit einer
Genauigkeit von 12 [my]m auf einer computergesteuerten Fräsmaschine vermessen. Die
ermittelten Charakteristika der Kristalle werden in der Arbeit präsentiert.
Im Jahr 2000 wurde das Kalorimeter mit 511 Kanälen in Betrieb genommen. Um stabile
Pulshöhen zu erhalten, wurde die bereits im Vorfeld erfolgreich angewandte Methode
des Optischen Bleichens implementiert. Das mittlere Energieauflösungsvermögen [Delta]E/E
der zentralen Kanäle betrug 4,27%, einem statistischem Term [sigma]/E vo n (3,1 ± 0,3)% /
E [GeV] entsprechend. Nach Abtrennung von Beiträgen unelastischer Streuereignisse
und Doppeltreffer konnte aus den Messungen die erste über alle zentralen Detektoren
gemittelte Rohasymmetrie A = (+3,0 ± 3,0) x 10-6 bestimmt werden.
The structure of the nucleon is at present the subject of intensive research.
Although the proton does not possess strangeness, pion scattering and deep
inelastic muon scattering experiments indicate that pairs of strange quarks and
antiquarks contribute substantially to the properties of the nucleon. For this
reason the collaboration A4 at the Mainz Mikrotron (MAMI) examines the
possible contribution of strangeness to the vector form factors of the nucleon. In
this intermediate energy experiment the parity-violating asymmetry in elastic
electron proton scattering will be measured with an accuracy of 5%.
In the context of this thesis the highly transparent Cherenkov material lead
fluoride (PbF2) has been examined for its suitability as a calorimetric detector.
These studies were dominated by systematic quality controls of PbF2 mono-
crystals concerning their light yield and radiation resistance as weil as their
transmittance and its homogeneity.
The internal transmittance of crystals with small concentrations of impurities is
clearly better than those of comparable Cherenkov materials. Furthermore,
crystals with surface damages or higher defect concentrations have been
replaced by the Chinese manufacturer SICCAS. The effective light yield Np.e. of
about 1.7 photoelectrons per MeV was measured with a hybrid photomultiplier
tube. The material has a non-uniform radiation resistance, with about a seventh
of the examined crystals showing absorption bands or reduced transmission
spectra. An annihilation of the induced colour centres was achieved both by
means of fibres and by direct illumination.
Besides, a simulation of the intensity and the spatial distribution of Cherenkov
photons in PbF2 as weil as model parameterisations are presented. With their
help the detectors were optimised for their application in a calorimeter.
The homogeneous electromagnetic calorimeter has been constructed in the
following years. In this thesis the design features and the completed set-up are
shown. Each of the 640 detectors consists of a PbF2 crystal wrapped in
reflective material, a photomultiplier with its base and a coupled fibre.
Substantial difficulties for the construction resulted from fiuctuations in the
mechanical dimensions of the crystals of up to ± 500 [my]m. In order to be able to
reject crystals with unsatisfactory geometry , all crystals were measured with a
computer-controlled milling machine to an accuracy of 12 [my]m. The determined
characteristics of the crystals are presented in this thesis.
In 2000 the first 511 channels of the calorimeter were taken into operation. To
achieve stable pulse heights the successfully applied method of optical
bleaching was implemented in the calorimeter. The mean energy resolution
[Delta]E/E of the central channels amounted to 4.27%, corresponding to a statistical
term [sigma]/E of (3.1 ± 0.3)% I E [GeV]. After the separation of inelastic scattering
events and of pile up a raw asymmetry A = (+3.0 ± 3.0) x 10-6, averaged over
all central detectors, was determined from the first measurements.
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