γ-spektroskopie mit einem

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1 γ-spektroskopie mit einem LaBr3:Ce-Detektor bei sehr hohen Zählraten Bastian Löher - Master Thesis Vortrag gefördert von DFG ( ) und LOEWE (HIC for FAIR) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 1

2 Überblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 2

3 Überblick Standort am Photonentagger NEPTUN S-DALINAC TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 3

4 Überblick Standort am Photonentagger NEPTUN S-DALINAC Protokollierung der Energie der getaggten Photonen TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 4

5 Überblick Ziele TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 5

6 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 6

7 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 7

8 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 8

9 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 9

10 Ziele γ-spektroskopie bei sehr hohen Zählraten! Bei vielen Experimenten ist Zählrate limitierender Faktor Problem: Pile-Up! d.h. Signale überlappen zeitlich Fehler bei Bestimmung der Signalamplitude Verminderte Energieauflösung Verminderte Effizienz TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 10

11 Vermeidung von Pile-Up Verringerung der Strahlintensität Nachteil: längere Messzeiten Einsatz von Detektoren mit kürzeren Signalen Bisher: oft NaI oder BaF2 Nachteil: geringe Auflösung im Vergleich zu HPGe Vergrößerung des Abstands Nachteil: Verlust an Effizienz oder größere Anzahl Detektoren nötig Hier: Einsatz eines LaBr3:Ce Szintillators mit sehr kurzen Signalen und hoher Auflösung TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 11

12 Pile-Up Behandlung Pile-Up erkennen (Pile-Up Detection) z.b. über Zeitunterschied dt zweier Triggerereignisse Pile-Up Ereignisse verwerfen (Pile-Up Rejection) Einfachste Methode, erhält die Auflösung Keine Verbesserung der Detektoreffizienz (Photopeak-Effizienz) Eingesetzt in analoger Elektronik Pile-Up Ereignisse korrigieren (Pile-Up Correction) Je nach Anwendung und Detektortyp unterschiedliche Methoden Ausnutzen der Signaleigenschaften Hier: Korrektur durch Matrixinversion1 auf Basis von Listmode-Daten Konstante Signalform [1] M.Vencelj et al., Nucl. Inst. and Meth. A 607 (2009) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 12

13 Digitale Kalorimetrie Nutze digitalisierte Signale eines LaBr-Szintillators Annahme: Signalform konstant Modellsignal m(t) Bestimmung der Energieinformation: TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 13

14 Digitale Kalorimetrie Trigger: Filterung des Signals mit bipolarem Filter Parameter: Filterbreite und Triggerschwelle TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 14

15 Digitale Kalorimetrie Glättung: Filterung mit integrierendem Filter Parameter: Shaping Time TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 15

16 Digitale Kalorimetrie Zeitbeziehung zwischen gefilterten Signalen bekannt Verschieben setzt Trigger an richtigen Zeitpunkt TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 16

17 Pile-Up Korrektur Ausschnitt aus gemessenem Signal mit Pile-Up Ereignissen Samplingrate 1 GS/s Anstiegsflanke ca. 10 ns (0.5 Szintillator) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 17

18 Pile-Up Korrektur Trigger mit Timing-Signal nach Filterung Trigger auch bei starkem Pile-Up TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 18

19 Pile-Up Korrektur Integrationsfilter zur Glättung Gemessene Amplituden bi wegen Pile-Up überschätzt TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 19

20 Pile-Up Korrektur b i = mij a j j Glattes Signal entsteht aus Linearkombination des Modellsignals mit verschiedenen wahren Amplituden ai an Zeitpunkten ti mi,j ist Beitrag des j. Modellsignals am Zeitpunkt ti Matrix M TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 20

21 Pile-Up Korrektur Matrixinversion1 liefert aus bi wahre Amplituden ai b= M a a= M 1 b [1] M.Vencelj et al., Nucl. Inst. and Meth. A 607 (2009) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 21

22 Pile-Up Korrektur Matrixinversion1 liefert aus bi wahre Amplituden ai b= M a a= M 1 b [1] M.Vencelj et al., Nucl. Inst. and Meth. A 607 (2009) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 22

23 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 23

24 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 24

25 Messungen - Überblick Charakterisierung des Detektors Anwendung der Pile-Up Korrektur Auflösung und Effizienz in hohem Untergrund TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 25

26 Messungen - Aufbau TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 26

27 Messungen - Aufbau TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 27

28 Messungen - Aufbau TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 28

29 Messungen - Charakterisierung Natürliche Radioaktivität in LaBr3 Aktivität ~200 cts/s TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 29

30 Messungen - Charakterisierung Linearität von MeV (gemessen mit TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 30 Cs, 137 Co, 60 Co, AmBe) 56

31 Messungen - Charakterisierung Auflösung von MeV TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 31

32 Messungen - Charakterisierung Temperaturdrift über drei Tage 1.1 % / K bei 1173 kev Abhängigkeit nicht von LaBr (Stabilität 0.01 % / K) (M. Moszynski et al., Nucl. Inst. and Meth. A 568 (2006) 739) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 32

33 Messungen - Charakterisierung Temperaturdrift über drei Tage 1.1 % / K bei 1173 kev Abhängigkeit nicht von LaBr (Stabilität 0.01 % / K) (M. Moszynski et al., Nucl. Inst. and Meth. A 568 (2006) 739) TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 33

34 Messungen - Überblick Charakterisierung des Detektors Anwendung der Pile-Up Korrektur Auflösung und Effizienz in hohem Untergrund TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 34

35 Messungen Pile-Up Korrektur Effekt der Pile-Up Korrektur mit 60 Co Quelle TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 35

36 Messungen Pile-Up Korrektur Effekt der Pile-Up Korrektur mit 60 Co Quelle TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 36

37 Messungen Pile-Up Korrektur Effekt der Pile-Up Korrektur mit 60 Co Quelle TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 37

38 Messungen Pile-Up Korrektur Auflösung und Peak-To-Total bei 1173 kev TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 38

39 Messungen - Überblick Charakterisierung des Detektors Anwendung der Pile-Up Korrektur Auflösung und Effizienz in hohem Untergrund Messung mit 137 Cs Eichquelle und starker TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher Co Störquelle

40 Messungen Hoher Untergrund Amplitudenspektren (im Bereich von 662 kev) 5600 kbq 1400 kbq 360 kbq 90 kbq 22 kbq TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 40

41 Messungen Hoher Untergrund Betrachtung des 662 kev Peaks: Auflösung Relative Effizienz (Effizienzverlust durch Pile-Up) Effizienzgewinn durch Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 41

42 Messungen Hoher Untergrund Betrachtung des 662 kev Peaks: Auflösung Relative Effizienz (Effizienzverlust durch Pile-Up) Effizienzgewinn durch Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 42

43 Messungen Hoher Untergrund Betrachtung des 662 kev Peaks: Auflösung Relative Effizienz (Effizienzverlust durch Pile-Up) Effizienzgewinn durch Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 43

44 Messungen Hoher Untergrund Betrachtung des 662 kev Peaks: Auflösung Relative Effizienz (Effizienzverlust durch Pile-Up) Effizienzgewinn durch Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 44

45 Messungen Hoher Untergrund Betrachtung des 662 kev Peaks: Auflösung Relative Effizienz (Effizienzverlust durch Pile-Up) Durchsatz pro Sekunde TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 45

46 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 46

47 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 47

48 Beam Dump - Detektorhalterung Anforderungen: Fixierung und Schutz des Detektors Mobil Kleine Bauform Passend zu Pb-Steinen Abschirmung des Kristalls Je nach Experiment Abschwächung des Strahls TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 48

49 Beam Dump - Detektorhalterung TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 49

50 Beam Dump Anforderungen: Senke für alle Strahlung vom Experiment: Geringe Rückstreuung Geringe Erzeugung von Sekundärstrahlung Detektor und Kollimator leicht zugänglich TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 50

51 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 51

52 Überblick Ziele Pile-Up Korrektur Messungen und Ergebnisse Konstruktion eines Beam Dumps Zusammenfassung und Ausblick TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 52

53 Ausblick Einsatz des Detektors bei HIPS und NEPTUN Weitere Charakterisierung bei höheren Energien (Linearität, Effizienz) Aufbau des aktiven Beam Dumps Test neuer Algorithmen Kombination von Pile-Up Korrektur und -Rejection Bessere Baseline-Bestimmung bei den höchsten Zählraten Einbeziehung der Phase des Signals Erweiterung der DAQ-Software Netzwerkfähigkeit Ankopplung an ROOT, MBS, TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 53

54 Ausblick Einsatz des Detektors bei HIPS und NEPTUN Weitere Charakterisierung bei höheren Energien (Linearität, Effizienz) Aufbau des aktiven Beam Dumps Test neuer Algorithmen Kombination von Pile-Up Korrektur und -Rejection Bessere Baseline-Bestimmung bei den höchsten Zählraten Einbeziehung der Phase des Signals Erweiterung der DAQ-Software Netzwerkfähigkeit Ankopplung an ROOT, MBS, TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 54

55 Ausblick - PUC+PUR Vergleich des Ausgangssignals mit rekonstruiertem Signal TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 55

56 Ausblick Einsatz des Detektors bei HIPS und NEPTUN Weitere Charakterisierung bei höheren Energien (Linearität, Effizienz) Aufbau des aktiven Beam Dumps Test neuer Algorithmen Kombination von Pile-Up Korrektur und -Rejection Bessere Baseline-Bestimmung bei den höchsten Zählraten z.b. mit Kalman-Filter Einbeziehung der Phase des Signals Erweiterung der DAQ-Software Netzwerkfähigkeit Ankopplung an ROOT, MBS, TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 56

57 Zusammenfassung Methode zur digitalen Korrektur von Pile-Up-Ereignissen Angewendet auf digitalisierte LaBr-Signale Charakterisierung eines 3x3 LaBr3:Ce-Detektors Rückgewinnung von Effizienz und Auflösung durch Rekonstruktion der Pile-Up Ereignisse Auch bei hohem Untergrund Design und Konstruktion einer Detektorhalterung und eines Beam Dumps für den Photonentagger NEPTUN Programmierung der modularen Datenaufnahmesoftware GECKO TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 57

58 Zusammenfassung Methode zur digitalen Korrektur von Pile-Up-Ereignissen Angewendet auf digitalisierte LaBr-Signale Charakterisierung eines 3x3 LaBr3:Ce-Detektors Rückgewinnung von Effizienz und Auflösung durch Rekonstruktion der Pile-Up Ereignisse Auch bei hohem Untergrund Design und Konstruktion einer Detektorhalterung und eines Beam Dumps für den Photonentagger NEPTUN Programmierung der modularen Datenaufnahmesoftware GECKO TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 58

59 Zusammenfassung Methode zur digitalen Korrektur von Pile-Up-Ereignissen Angewendet auf digitalisierte LaBr-Signale Charakterisierung eines 3x3 LaBr3:Ce-Detektors Rückgewinnung von Effizienz und Auflösung durch Rekonstruktion der Pile-Up Ereignisse Auch bei hohem Untergrund Design und Konstruktion einer Detektorhalterung und eines Beam Dumps für den Photonentagger NEPTUN Programmierung der modularen Datenaufnahmesoftware GECKO TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 59

60 Zusammenfassung Methode zur digitalen Korrektur von Pile-Up-Ereignissen Angewendet auf digitalisierte LaBr-Signale Charakterisierung eines 3x3 LaBr3:Ce-Detektors Rückgewinnung von Effizienz und Auflösung durch Rekonstruktion der Pile-Up Ereignisse Auch bei hohem Untergrund Design und Konstruktion einer Detektorhalterung und eines Beam Dumps für den Photonentagger NEPTUN Programmierung der modularen Datenaufnahmesoftware GECKO TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 60

61 Zusammenfassung Methode zur digitalen Korrektur von Pile-Up-Ereignissen Angewendet auf digitalisierte LaBr-Signale Charakterisierung eines 3x3 LaBr3:Ce-Detektors Rückgewinnung von Effizienz und Auflösung durch Rekonstruktion der Pile-Up Ereignisse Auch bei hohem Untergrund Design und Konstruktion einer Detektorhalterung und eines Beam Dumps für den Photonentagger NEPTUN Programmierung der modularen Datenaufnahmesoftware GECKO TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 61

62 Anhang Weitere Folien TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 62

63 Signalform mit TFA (3x3 ) Gemittelt über ~1000 Signale Anstiegszeit ~25 ns von 10% auf 90 % TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 63

64 Sättigungseffekt im PMT Position des 1173 kev Peaks mit und ohne TFA TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 64

65 Auflösung vs. PMT Spannung E = 1173 kev TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 65

66 Messungen Pile-Up Korrektur Peak-To-Total Gewinn durch Pile-Up Korrektur TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 66

67 Ergebnisse aus Proposal 137Cs Quelle Abstand 87 cm ~0,4 MHz Messzeit 0,05 s 26k Counts Abstand 23 cm ~6,4 MHz Messzeit 0,05 s 321k Counts bessere Effizienz bessere Auflösung TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 67

68 Simulation Test des Algorithmus mit simulierten Daten Schrittweise Annäherung der Simulation an echte Daten Exponentiell abfallende Signale + endliche Anstiegszeit + Rauschen Signale aus Photonenstatistik des Szintillators + Rauschen + Response des ADC Test des optimalen Triggers Test der optimalen Shaping-Time TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 68

69 GECKO - Überblick GECKO ist: Datenaufnahme Online-Analyse Modular Multi-Threaded Frei konfigurierbar Objekt-Orientiert Graphisch C TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 69

70 GECKO - Oberfläche Links: Liste aller Interfaces, Module und Plugins Rechts: Einstellungen für ausgewähltes Modul Aktuell: Run Control TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 70

71 GECKO Features Interfaces: Struck SIS USB-VME und PCIe-VME Interfaces Geplant: Channel Access Client für EPICS Netzwerk-Interface Module: Struck SIS3350 Sampling ADC Diverse CAEN Module (ADC, TDC, QDC, Multihit-TDC, Scaler) Geplant: Struck SIS3320 ADC EPICS Steuermodule TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 71

72 GECKO Features Plugins: Digitale Filter Digitaler QDC, ADC, TDC Baseline Korrektur Pile-Up Rejection Pile-Up Korrektur Trigger Signal-Extraktion Histogramm Signalplot Datei-Output Geplant: Eventpacker und Eventbuilder TU Darmstadt Institut für Kernphysik Bastian Löher 72