Messung der magnetfeldabhängigen Verstärkung von Vakuum-Phototetroden

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1 Messung der magnetfeldabhängigen Verstärkung von Vakuum-Phototetroden Bachelorarbeit im Studiengang Bachelor of Sciene Im Fach Physik an der Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum Institut für Experimentalphysik I von Philipp Schneider aus Gelsenkirchen Bochum, Sommersemester 2011

2 1 Abstract In dieser Arbeit wird das Verstärkungsverhalten von Vakuumphototetroden der Firmen RIE und Hamamatsu im Magnetfeld untersucht. Diese Röhren sollen in der Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters des -Detektors eingesetzt werden. Diese Messungen sind nötig, da in der Vorwärtsendkappe des EMC ein Magnetfeld, von einer Stärke bis zu 1,2 T und Winkeln von bis zu 18 zwischen Magnetfeld und der Längsachse der Röhren anliegt. Der Aufbau basiert auf einem bereits von Michal Leyhe im Rahmen seiner Masterarbeit verwendeten Aufbau. Es soll erneut das Verhalten der RIE Tetroden untersucht und ein Vergleich zu den neuen Hamamatsu Tetroden gezogen werden.

3 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Das -Experiment EMC Physikalische Motivation Photodetektoren Vakuumphototrioden Vakuumphototetroden Elektronenbewegung im Magnetfeld Aufbau Messung Hamamatsu VPTT R11375 MOD RIE VPTT Diskussion der Ergebnisse Diagramme der Messungen a. Hamamatsu VPTT ZG b. Hamamatsu VPTT ZG c. Hamamatsu VPTT ZG d. RIE VPTT e. RIE VPTT f. RIE VPTT Danksagung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis... 33

4 3 1. Einleitung 1.1 Das -Experiment wird ein Hadronendetektor der nächsten Generation, der am FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt betrieben werden soll. Im Detektor wird ein gekühlter Antiprotonenstrahl mit Energien zwischen 1,5 GeV/c und 15 GeV/c auf unterschiedliche Targets geschossen. steht hierbei für Anti-Proton ANihilation at DArmstadt. Am FAIR werden die Antiprotonen in den HESR (High-Energy Storage Ring) injiziert, ein Synchrotron und Speicherring, der die gekühlten Antiprotonen auf exakt definierte Energien bzw. Impulse, mit einer Genauigkeit von, beschleunigen kann. Somit können die Massen und Intensitäten der Hadronen-Resonanzen mit einer Genauigkeit von kev gemessen werden, was 10 bis 100 mal höher ist, als bei allen bisherigen Positronen-Elektronen-Kollisions-Experimenten. Im - Detektor kollidieren die Antiprotonen mit einem internen Target, entweder einem Wasserstoff- Cluster-Jet-Target oder einem Wasserstoff-Pellet-Target [TDR08]. Bei Benutzung des Pellet-Target fallen gefrorene Wasserstoff-Pellets in den Strahlhalo und wechselwirken dort mit den beschleunigten Antiprotonen. Hierbei soll eine Luminosität von erreicht werden. Für Reaktionen mit schwereren Targets können dünne Drähte oder Folien in den Strahlhalo eingebracht werden. Abb. 1.1: geplanter Aufbau des Detektors [GSI1] Um eine gute Impulsauflösung zu erreichen, wird im Target-Spektrometer ein supraleitender Solenoidmagnet mit einer Feldstärke von 2 T eingesetzt. Im Vorwärts-Spektrometer wird zu diesem Zweck ein Dipolmagnet eingesetzt. Das Kalorimeter im Target-Spektrometer ist aufgeteilt in einen Barrel-Teil und in die Endkappen-Teile. Auf Grund dieser Unterteilung können Teilchen, die in einem Winkel >22 zur ursprünglichen Strahlrichtung auftreten, im Barrelteil, Teilchen mit kleineren Winkel bis zu in der Vertikal- und in der Horizontalebene in der Vorwärtsendkappe detektiert werden. Die Endkappe befindet sich 2,35 m hinter dem Wechselwirkungspunkt. Das Target-Spektrometers

5 4 und das Vorwärts-Spektrometer sind mit Geräten zur Spurrekonstruktion, Identifizierung von geladenen Partikeln, elektromagnetischen Kalorimetrie und Myonidentifikation ausgerüstet. Die untersuchten Vakuumphotoröhren werden in einem Prototyp der Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters (EMC) des Target-Spektrometers eingesetzt, der an der Ruhr- Universität Bochum gebaut wird.

6 5 1.2 EMC Im EMC des Target-Spektrometers werden hohe Raten an hochenergetischen Photonen erwartet. Um diese Teilchen detektieren zu können, wird ein Szintillatormaterial benutzt. Auf Grund des kompakten Designs des Target-Spektrometers muss ein schnelles Szintillatormaterial, mit geringer Strahlungslänge und hinreichend geringem Molière-Radius benutzt werden, so dass der Großteil der Photonenergie in einem Kristall deponiert wird und der Kristall bei den erwarteten Raten eine gute Zeitauflösung, sowie eine möglichst große Lichtausbeute bietet. Im EMC wird zu diesem Zweck Blei-Wolframat verwendet, das eine ausreichend hohe Energie- und Zeitauflösung zur Photonen-, Elektronen- und Hadronendetektion besitzt. In der Hochenergiephysik wird bereits ausgewählt und auch am CMS 1 und ALICE 2 Detektor am CERN 3 eingesetzt. Folglich verfügt das Blei-Wolframat für das -EMC über ausreichende Strahlungshärte und kann in Massenproduktion hergestellt werden. Kürzliche Entwicklungen in den Herstellungsverfahren bieten eine erhöhte Lichtausbeute und erlauben auch die Detektion von Photonen mit Energien von wenigen MeV mit ausreichender Auflösung. Durch Abkühlung der Kristalle auf - C kann die Lichtausbeute nochmals um einen Faktor 4, im Gegensatz zur Raumtemperatur erhöht werden, weshalb das auch die Arbeitstemperatur des Detektors sein wird. Die verwendeten Kristalle haben eine Länge von 20 cm und eine Frontfläche von. Im Barrel-Teil des EMC werden dieser Kristalle eingesetzt, in der vorderen Endkappe 3600 und in der hinteren 592. Das Auslesen dieser Kristalle wird mit Large Area Avalanche PhotoDioden (LAAPD) im Barrel-Teil und einer Kombination von LAAPDs, VakuumPhotoTrioden bzw. TeTroden (VPT/T) in den Endkappen durchgeführt. Abb. 1.2: Aufbau des elektromagnetischen Kalorimeters (EMC) von (blau: Barrelpart, grün: vordere Endkappe, rückwärtige Endkappe nicht im Bild) [GSI2] 1 Compact Muon Solenoid: Myondetektor am Large Hadron Collider 2 A Large Ion Collider Experiment: Experiment zur Erzeugung und Untersuchung von Quark-Gluon- Plasmen 3 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire: europäisches Kernforschungszentrum in Genf

7 6 1.3 Physikalische Motivation Eines der faszinierendsten und herausforderndsten Ziele der modernen Physik ist das vollständige quantitative Verständnis der starken Wechselwirkung. Dieser Bereich der Hadronenphysik hat in den letzten Jahren, auf Grund neuer Entwicklungen in Experimenten und Theorie, bedeutende Fortschritte gemacht. Neue experimentelle Ergebnisse haben zu einer Verfeinerung der Theorien geführt. Trotzdem gibt es noch viele fundamentale Fragen, die unbeantwortet sind: Warum Quarks nicht einzeln observiert werden können; ob Gluonbälle existieren; woher die Masse der Hadronen stammt. Diese und viele weitere Fragen müssen noch geklärt werden und stellen eine intellektuelle Herausforderung an unser Verständnis der starken Wechselwirkung und der hadronischen Masse dar. Um die Hadronenstruktur experimentell zu untersuchen, können Elektronen, Pionen, Kaonen, Protonen oder Antiprotonen benutzt werden. Bei einer Antiproton-Proton-Annilihation sind allerdings spektroskopische Untersuchungen mit einer Vielzahl von Messungen und hoher Präzision möglich. Aus diesem Grund eignen sich Antiprotonen gut für Untersuchungen der oben erwähnten Fragestellungen. Die geplante FAIR Einrichtung, die als Erweiterung der schon bereits existierenden Labore der GSI (Gesellschaft für SchwerIonenforschung) in Darmstadt vorgesehen ist, soll Antiprotonenstrahlen mit hoher Intensität und Auflösung bereitstellen, um die fundamentalen Fragen zu klären. Das - Experiment wird den Antiprotonenstrahl des HESR benutzen, um Kollisionen mit internen Protonentargets durchzuführen. Die Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 2,2 GeV und 5,5 GeV sollen mit den eingebauten Spektrometern untersucht werden.

8 7 1.4 Photodetektoren Wenn hochenergetische Photonen, Elektronen Positronen mit dichter Materie, im Detektor folglich mit den Szintillator kollidieren, werden Teilchenschauer ausgelöst. In einem solchen Teilchenschauer werden durch Wechselwirkung, mit der dichten Materie, aus hochenergetischen Teilchen neue Teilchen mit niedrigerer Energie. Dieser Schauer weitet sich aus, bis die Energie der entstehenden Teilchen klein genug ist, dass sie durch Anregung von Atomen des Szintillatormaterials und Abstrahlen dieser Energie Lichtblitze erzeugen. Bei den verwendeten Kristallen tritt dieser Lichtblitz bei der Wellenlänge nm auf. Um diesen Lichtblitz zu detektieren, werden Photodetektoren benötigt. Die Zahl der Lichtblitze ist dabei proportional zur Intensität der Strahlung, da ein Teilchen mit höherer Energie entsprechend größere Schauer auslöst und folglich mehr Atome im Blei- Wolframat anregt. Allgemein werden zur Detektion von Photonen sogenannte Photomultiplier benutzt. Bei einem Photomultiplier treffen die Photonen auf eine Photokathode, an der durch den photoelektrischen Effekt Elektronen ausgelöst werden. Die Energie, die die Photonen benötigen um ein Elektron auszulösen, ist materialabhängig. Auf diese Eigenschaften muss bei der Wahl der Detektoren geachtet werden. Nicht jedes Photon, das über ausreichende Energie verfügt, löst beim Auftreffen auf die Photokathode ein Elektron aus. Der Quotient aus der Zahl der ausgelösten Elektronen und der Zahl der auf die Kathode aufgetroffenen Photonen bzw. Lichtquanten wird Quanteneffizienz genannt: (1-1) Die ausgelösten Elektronen werden in einem Multiplier durch eine Fokussierelektrode auf eine Dynode gelenkt, wo durch auftreffende Elektronen jeweils mehrere Elektronen (Sekundärelektronen) ausgelöst werden. Diese werden zu weiteren Dynoden gelenkt, wodurch das ursprüngliche Signal um einem Faktor von, abhängig von der Zahl der Dynodenstufen, verstärkt wird. Im Multiplier muss von der Kathode zur ersten Dynode und den folgenden Dynoden ein jeweils ansteigendes positives Potential angelegt werden, um die Elektronen zu lenken und zu beschleunigen. Die Elektronen lassen sich an der Anode, die das höchste Potential haben muss, als Stromimpuls messen. Abb. 1.3: Aufbauschema eines Photomultipliers ([DEM10], S.35)

9 8 Im EMC von herrscht ein Magnetfeld von bis zu 2 T. Dies schließt den Gebrauch herkömmlicher Photomultiplier aus, da die Elektronen durch die Lorentzkraft eine zu starke Ablenkung erfahren würden und nicht das komplette Signal an der Anode messbar wäre. Aus diesem Grund werden alternative Photodetektoren benötigt. Im Barrelpart des EMC werden Large-Area-Avalanche-Photodioden (LAAPD) benutzt, deren Verstärkung (engl. Gain) nicht magnetfeldabhängig ist und die unter jedem Winkel zum Magnetfeld eingesetzt werden können. In den Endkappen des EMC sollen Vakuumphototrioden und tetroden (VPT/T) eingesetzt werden, da der Winkel zwischen Magnetfeld und Längsachse der Röhren in den Endkappen nicht sehr groß ist (max. 18 ). Die VPT/T bieten bei hohen Raten eine gute Zeitauflösung. Zusätzlich bieten die Röhren eine höhere Strahlenhärte, als die Dioden. In Festkörperdetektoren, wie den LAAPDs tritt zusätzlich der nuclear counter effect auf, durch den auch Produkte radioaktiver Strahlung beim Durchdingen des Detektors ein Signal auslösen, was nicht erwünscht ist. Aus diesen Gründen sind die VPT/T als Detektoren in der Vorwärtsendkappe den LAAPDs vorzuziehen Vakuumphototrioden Eine Vakuumphototriode stellt einen Photomultiplier mit nur einer Dynodenstufe dar. Die Anordnung von Dynode und Anode ist allerdings vertauscht und als Anode wird nur ein Gitter benutzt. Die Skizze stellt den schematischen Aufbau dar. Auch in den Trioden muss das positive Potential an der Anode höher sein als das Potential der Dynode. Die Photokathode ist auf Masse gelegt. Die Elektronen werden zum Anodengitter hin beschleunigt, fliegen idealerweise durch das Gitter und lösen an der Dynode mehrere Abb. 1.4: Schema einer VPT ([LEY], S. 23) Sekundärelektronen aus, die anschließend erneut zur Anode hin beschleunigt werden und dort als Stromimpulse messbar sind. Auf Grund der kurzen Flugbahn der Elektronen in der Triode ist die Verstärkung des Signals nicht mehr so stark magnetfeldabhängig, wie bei einem Multiplier mit vielen Dynodenstufen Vakuumphototetroden Eine Vakuumphototetrode ist im Aufbau fast identisch mit einer Triode, es befindet sich zwischen Photokathode und Anode jedoch ein Dynodengitter, was zu einer höheren Verstärkung führt. Der längere Weg der Elektronen führt jedoch auch zu einer höheren Magnetfeldabhängigkeit der Verstärkung. Abb. 1.5: Schema einer VPTT ([LEY], S. 24) In den Tetroden liegt die Photokathode (K) ebenfalls auf Masse, das positive Potential ist ansteigend von der 1. Dynode (D1) zur 2. Dynode (D2) zur Anode (A) angelegt. In dieser Arbeit werden VPTT von zwei Herstellern, von Research Insitute Electron (RIE) und Hamamatsu, untersucht. Die RIE Tetroden sind mit der vom Hersteller angegebenen

10 9 Spannungsversorgung bzw. Potentialanordnung betrieben worden:, und. Die Hamamatsu Tetroden wurden ebenfalls nach Herstellerangaben betrieben: 150 V, V und V. Die Röhren sind auf Grund des hohen Magnetfeldes alle aus Glas gefertigt. Daten der Röhren: Röhrentyp Hamamatsu R11375MOD VPTT RIE VPTT Durchmesser 24mm 22,5 mm Wellenlängenbereich ( ) nm ( ) nm Photokathode Material Sb-K-Cs (Bialkali) Sb-K-Cs (Bialkali) Durchmesser 16 mm 16 mm Verstärkung 25 Quanteneffizienz bei 420 nm 0,23 Tabelle 1.1: Eigenschaften der vermessenen Röhren ([HAM], [RIE])

11 Elektronenbewegung im Magnetfeld Die Messung der relativen Verstärkung der Röhren wird durch eine Strommessung an der Anode, bei konstanter Beleuchtungsstärke der Photokathode, durchgeführt. Die Bewegung der Elektronen ist abhängig vom angelegten Magnetfeld. Dies wirkt sich auf die gemessene Verstärkung aus, da Elektronen nicht mehr durch das Anodengitter zur Dynode gelangen oder auch das Anodengitter verfehlen können. Aus diesem Grund wird eine Betrachtung der Elektronenbewegung in Magnetfeldern und elektrischen Feldern, die in der Röhre durch die Potentiale gegeben sind auf Grundlage der Lorentzkraft durchgeführt: (1-2) In dieser Gleichung stellen m und e die Masse und Ladung des Elektrons dar, a und v sind die Beschleunigung und Geschwindigkeit des Teilchens. Das B-Feld und die Winkel zwischen der Achse der Röhre und E-Feld und B-Feld sind wie in folgender Skizze definiert. Zusätzlich kann ein Koordinatensystem für die VPT/T aufgestellt werden. Abb. 1.6: Skizze einer Triode mit den definierten Koordinaten ([CMS], S.16) Durch Aufspaltung der Gleichung in die einzelnen Komponenten ergeben sich folgende gekoppelte Differentialgleichungen: (1-3) ( ) (1-4) (1-5) Durch Integration dieser Gleichungen mit den Anfangsbedingungen und bei erhält man:

12 11 (1-6) (1-7) (1-8) Wobei gilt: Zyklotronfrequenz (1-9) (1-10) Um in die Koordinaten der VPT/T zu gelangen, werden die folgenden Transformationen benötigt: (1-11) (1-12) (1-13) Durch die Gleichungen für x (1-6), y (1-7) und z (1-8) ist ersichtlich, dass es sich bei der Bewegung des Elektrons um eine spiralartige Bewegung handelt, mit einer Kreisbewegung in der y-z-ebene mit der Kreisfrequenz und dem Kreisradius, wobei gegeben ist durch: ( ) ( ) (1-14) Wobei der Mittelpunkt des Orbits Gleichungen:, der in der y-z-ebene driftet, beschrieben wird durch die (1-15) (1-16)

13 12 Die Bewegung in Richtung des Magnetfeldes stellt eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung dar, gegeben durch: (1-17) An diesen Gleichungen lässt sich erkennen, dass eine Vergrößerung der Magnetfeldstärke zu einer Vergößerung der Zyklotronfrequenz (1-9), gleichzeitig aber auch zu einer Verringerung des Zyklotronradius (1-10) führt. Bei einem Anstieg von wird im Wesentlichen nur der Zyklotronradius größer, der Einfluss auf die anderen Gleichungen ist eher gering. Während einer Messreihe bei der Magnetfeld oder schrittweise erhöht werden, kann es bei konstantem und steigendem Magnetfeld, sowie bei konstantem Magnetfeld und steigendem zu Resonanzeffekten kommen, da eine Drift der Elektronen, die die Anode passieren, in y- bzw. z- Richtung (siehe (1-14),(1-15)) um das ganzzahlige Vielfache des Gitterabstands der Anode auftritt, während das Elektron von der Anode zur Dynode und zurück fliegt. So fliegt das Elektron erneut durch das Anodengitter und wird nicht detektiert, was zu einem Absinken der Verstärkung führt. Es können also sowohl Magnetfeld-, sowie auch Thetaresonanzen auftreten, die für bestimmte Werte eine Verringerung der Verstärkung zur Folge haben. Bei einer Messung im Magnetfeld kann es allerdings auch zu einem Anstieg der Verstärkung kommen. Eine größere Verstärkung gegenüber dem Betrieb ohne Magnetfeld ist nur möglich, wenn mehr Sekundärelektronen aus der bzw. den Dynoden ausgeschlagen werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Anzahl der Sekundärelektronen zu erhöhen: Eine höhere kinetische Energie der Primärelektronen, sowie ein flacherer Aufschlagswinkel der Primärelektronen. Zu einer höheren kinetischen Energie kann es innerhalb der Röhre nicht kommen, da die Energie, die das Elektron durch das Magnetfeld erhält, in die Zyklotronbewegung eingeht. Diese Bewegung führt allerdings zu einem flacheren Aufschlagswinkel der Primärelektronen auf die Dynode, was eine Erhöhung der Verstärkung bei steigendem Magnetfeld zur Folge hat. Bei veränderbarem sollte dieser Effekt auch zu einer Erhöhung der Verstärkung führen, dem allerdings die geringere Durchlässigkeit des Anodengitters entgegenwirkt.

14 13 2. Aufbau Der für diese Bachelorarbeit verwendete Aufbau ist analog zum Aufbau, der in der Bachelorarbeit von Patrick Böhm verwendet wird. Die Beschreibung des Aufbaus ist in beiden Arbeiten analog, da die Messungen gemeinsam an einem Aufbau durchgeführt wurden. Der verwendete Messaufbau basiert auf dem Aufbau, der von Michael Leyhe im Rahmen seiner Masterarbeit benutzt wurde. Er besteht aus einem Stativ aus Kunststoff und besitzt eine drehbare Halterung für die Röhren. In der Halterung befindet sich ein 15 cm langer Lichtmischer, der über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtpulser verbunden ist. Dieser wurde mit einer Frequenz von f = 1 khz über einen Pulsgenerator betrieben. Der Lichtmischer ist mit Spiegelfolie umwickelt, um die Lichtausbeute zu maximieren und das Licht, dass in die Röhre fällt, zu homogenisieren.. Das Licht wird über eine im 45 -Winkel abgeschliffene Ecke in die Röhre eingekoppelt. Die Verbindung zwischen dem Lichtmischer und der Röhre wird durch optisches Gel hergestellt zwecks höherer Lichtausbeute. Zum Schutz vor Umgebungslicht ist die Röhrenhalterung mit schwarzer Folie und schwarzem Klebeband abgedichtet. Zur Spannungsversorgung und zur Aufnahme der Daten werden speziell für die Röhren entwickelte Vorverstärker des Instituts für Physik der Universität Basel benutzt. Diese Vorverstärker werden in einem kleinen Metallgehäuse an der Halterung der Röhre montiert. Diese Positionierung dient dazu, den Weg des unverstärkten Signals zu minimieren. Das Metallgehäuse sowie die schwarze Folie sind geerdet. Die Vorverstärker werden mit einer Spannung von 6 V, sowie mit der dem Röhrentyp entsprechenden Hochspannung versorgt. Die Spannung zum Betrieb des Lichtpulsers wird dem NIM-Crate entnommen, in welchem auch die restlichen Geräte untergebracht waren. Zum Auslesen der Daten wird das vorverstärkte Signal auf einen Linear- Verstärker und von dort auf einen Analog-Digital-Wandler geleitet. Das digitale Signal wird über USB an ein Notebook weitergegeben und mit der entsprechenden Software ausgewertet. Die verwendeten Geräte sind: - NIM-Crate - Hochspannungsversorgung: CAEN Mod N Channel Programmable HV Power Supply - Netzteil zur Generierung von 6 V Gleichspannung - Linear-Verstärker: Tennelec TC 205A Linear Amplifier - Analog-Digital-Wandler: Berthold Silena 400 MHz ADC Modell Lichtpulser - Pulsgenerator - Notebook Der Platz zwischen den Polschuhen des Magneten reicht aus, um den Winkel der Halterung ( ) zwischen 0 und 20 zu variieren. Für die Messungen im Magnetfeld wird der Aufbau mit zwei Bleiziegeln fixiert.

15 14 3. Messung Um die Magnetfeldabhängigkeit der Röhren zu untersuchen, wird folgendes Messprogramm verwendet, wobei die steigenden bzw. absteigenden Variablen in entsprechenden Schritten verstellt worden sind: - Messung bei ansteigendem und abfallendem Magnetfeld mit - Messung bei variablem -Winkel bei maximalem Magnetfeld - Messung mit variablem Magnetfeld und - Messung bei maximalem Magnetfeld und variablem -Winkel Das Magnetfeld des verwendeten Magneten ließ sich über die Stromstärke variieren. Die maximale Stromstärke betrug 600 A. Das entspricht am Ort der Röhre einem maximalen Magnetfeld von 1,2 T. Die Stromstärke und damit das Magnetfeld sind zwischen den Messungen um jeweils 40 A erhöht worden. Die exakte Magnetfeldstärke am Ort der Röhre wurde mit einer Hallsonde ermittelt. Der -Winkel wurde in 2 -Schritten von 0 bis 20 variiert und die Verstärkung jeweils mit steigendem und abfallendem Winkel direkt hintereinander gemessen. Nach einer durchgeführten -Messung sind die Messwerte für die Verstärkung auf ungewöhnliche Punkte, wie Extrema oder konstante Bereiche, untersucht worden, um bei diesen Winkeln eine neue Messung mit ansteigendem und fallendem Magnetfeld durchzuführen. Um eine Abhängigkeit der Verstärkung vom Winkel der Röhre zum Magnetfeld zu untersuchen, also dem Winkel um die Hauptachse der Röhre, wurde dieser in 10 -Schritten von 0 bis 90 variiert. Alle Messpunkte sind über eine Dauer von 30 s aufgenommen worden. Der zeitliche Abstand bei Aufnahme der Messpunkte wurde innerhalb einer Messreihe konstant gehalten. Diese zeitlichen Abstände sind durch die Dauer zum Erhöhen des Stroms oder Verstellen des jeweiligen Winkels gegeben. Bei Variation des Magnetfeldes betrug der Abstand etwa 30 s, bei Variation von etwa 10 s und bei Variation von etwa 600 s. Die digitalisierten Messwerte des Analog-Digital-Wandlers wurden in ein Histogramm eingetragen. In den entstandenen Histogrammen wurde mit dem Programm ROOT 4 eine Gaussverteilung gefittet und jeweils eine komplette Messreihe zusammengefasst. Die Werte der Gaussverteilung wurden jeweils auf den ersten Wert der Messung, sprich 0 T, und, normiert und in Diagramme eingetragen. Durch die Normierung ist auf den Ordinatenachsen der Diagramme die relative Verstärkung (engl. relative Gain) zum Normierungspunkt der dargestellten Messung aufgetragen. 4 entwickelt am CERN, siehe

16 Hamamatsu VPTT R11375 MOD Insgesamt wurden vier VPTTs der Firma Hamamatsu vermessen, was zu diesem Zeitpunkt allen am Lehrstuhl vorhandenen Röhren dieses Typs entsprach. Als Beispiel für eine solche Messung wird die Röhre ZG4474 gezeigt, da mit dieser Röhre nach einigen Tagen erneute Magnetfeld-, - und - Messungen durchgeführt wurden, um die ersten Messergebnisse zu reproduzieren. Die Reproduktionsmessungen sind in den Diagrammen mit Repro gekennzeichnet. Abb. 3.1: Messung der Verstärkung von Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke Bei dieser Messung ist auffällig, dass die Verstärkung zunächst um 3% abfällt und dann bis zu einer Magnetfeldstärke von etwa 350 mt konstant bleibt. Anschließend fällt die Verstärkung annähernd linear ab auf etwa 62% bis zur höchsten Magnetfeldstärke von 1,15 T. Die Reproduktionsmessung zeigt ein ähnliches Verhalten, allerdings sinkt bei hohen Magnetfeldstärken die Verstärkung stärker ab, auf 60% des Wertes ohne Magnetfeld. Die Unterschiede zwischen den beiden Messungen liegen vermutlich daran, dass selbst kleine Abweichungen der Position im Magnetfeld einen großen Einfluss auf die Stärke des Magnetfeldes zur Folge haben. Eine Messung der Magnetfeldstärke mit der Hallsonde ergab auf einer Höhe von 2 cm eine Änderung im Magnetfeld von mt. Da die Messungen in einem Abstand von mehreren Tagen durchgeführt wurden, ist vermutlich die Ausrichtung zum Magnetfeld und die genaue Position der Röhre nicht genau reproduziert worden. Wie sich in den -Messungen zeigt, kann auch eine geringe Änderung des Winkels eine Änderung der Verstärkung um 2-3% verursachen. Die Verstärkung der Hamamatsu Tetrode sinkt bei steigendem Magnetfeld ab. Das Plateau bei geringen Magnetfeldstärken lässt sich durch die Zyklotronbewegung der Elektronen erklären. Dadurch wird der Aufschlagwinkel der Elektronen auf die Dynode flacher, was mehr Elektronen auslöst und zunächst dem Abfall der Verstärkung entgegenwirkt.

17 16 Abb. 3.2: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit des -Winkel Bei diesen Messungen wurde der -Winkel variiert und die Messung ebenfalls nach mehreren Tagen wiederholt. Insgesamt ergibt sich durch eine Änderung des Winkels nur eine Variation der Verstärkung um bis zu 9%. Die Schwankungen bei der Verstärkung kommen durch die bereits erwähnte Thetaresonanz zu Stande. Die Resonanz liegt bei der ersten Messung bei etwa 8 und bei der Reproduktionsmessung bei 4. Nach Überschreiten des Resonanzwinkels steigt die Verstärkung bis etwa 12 wieder an. Anschließend fällt die Verstärkung hin zu 20 wieder ab. Die Diskrepanz zwischen den Messungen lässt sich erneut durch eine ungenaue Reproduktion der Ausrichtung im Magnetfeld erklären. Der Abfall bei hohen Winkeln, könnte durch ein erneutes Resonanzverhalten bei erklärt werden. Auf Grund dieses Verhaltens wurden erneute Messungen mit steigendem und fallendem Magnetfeld bei den -Winkeln von 6, 12 und 18 durchgeführt.

18 17 Abb. 3.3: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =6 ) Abb. 3.4: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =12 )

19 18 Abb. 3.5: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =18 ) Beim Vergleich dieser Messungen ist auffällig, dass das Plateau, das sich auch bei schon gezeigt hat, erneut auftritt. Mit steigendem Winkel sinkt das Plateau allerdings immer weiter ab. Bei niedrigen Magnetfeldstärken tritt keine Thetaresonanz auf. Im Gegensatz zur -Messung bei 1,2 T (Abb. 3.2), die Verstärkung bei =6 (Abb. 3.3) höher war als bei =12 (Abb. 3.4). Die Variation der Verstärkung bei hohen Magnetfeldstärken ändert sich durch unterschiedliche -Winkel um maximal 3%.

20 19 Abb. 3.6: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit von Bei dieser Messung zeigt sich eine Variation der Verstärkung um bis zu 15% ohne ein erkennbares Muster und ohne Übereinstimmung der Werte bei steigendem und fallendem Winkel. Erwartungsgemäß hätte sich auf Grund der Gitterstruktur der Dynode und der Anode ein nach 90 wiederholendes Muster ergeben sollen. Ebenfalls ist kein Zusammenhang zwischen der ersten Messung und der Reproduktionsmessung zu erkennen. Bei den Messungen der Verstärkung in Abhängigkeit von musste der Aufbau zwischen Messpunkten aus dem Magnetfeld entnommen werden, um zu verstellen. Dafür musste auch das Magnetfeld immer komplett heruntergefahren und anschließend wieder hochgefahren werden, wobei das Magnetfeld an einer festgelegten Position zwischen den Polschuhen exakt reproduzierbar ist. So ist eine relativ hohe Abweichung durch die Position des Aufbaus im Magnetfeld gegeben. Die anderen Messungen mit den Hamamatsu Tetroden ZG4475, ZG4476 und ZG4474 zeigen ein konsistentes Verhalten und befinden sich in Kapitel 5 a-c.

21 RIE VPTT Exemplarisch für Messungen an einer RIE VPTT dient die VPTT 0003, da bei dieser ebenfalls Reproduktionsmessungen durchgeführt wurden. Abb. 3.7: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke Die RIE Tetroden zeigen ein Verhalten, das den Hamamatsu Tetroden sehr ähnlich ist. Der Anstieg der Verstärkung bei niedrigen Magnetfeldstärken und das Plateau bis etwa 350 mt ist erneut durch die Zyklotronbewegung und die sich daraus ergebende höhere Verstärkung zu erklären. Dieser Effekt ist bei den RIE Tetroden sehr viel stärker als bei den Hamamatsu Tetroden und führt zu einem Anstieg der Verstärkung. Bei dieser Röhre steigt die Verstärkung um bis zu 20%, der Anstieg ist allerdings bei allen RIE Tetroden unterschiedlich. Der anschließende, nahezu lineare Abfall ist ebenfalls bei den Hamamatsu Röhren zu finden. Bei dieser Röhre fällt die Verstärkung auf etwa 82% der ursprünglichen Verstärkung ab. Allerdings findet sich bei allen RIE Tetroden ein Abfall der Verstärkung vom Plateaubereich zum Minimum von etwa 35%.

22 21 Abb. 3.8: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit von Bei der Variation von zeigen sich innerhalb der Messreihen Variationen der Verstärkung von bis zu 9%. Die Messungen der Reproduktion sind zueinander konsistent, bei der ersten Messung weichen die Messwerte von steigendem und fallendem Winkel um 6% voneinander ab, sind allerdings im Verhalten zueinander ähnlich. Bei dieser Messung ist bei 10 ein kleines Minimum zu erkennen, bei der Reproduktionsmessung bei 14, jeweils verursacht durch eine Thetaresonanz. Der Verschiebung des Resonanzwinkels liegt erneut eine nicht exakte Reproduktion der Position des Aufbaus zu Grunde. Der Grund für die Diskrepanz zwischen steigendem und fallendem Winkel bei der ersten Messung ist nicht bekannt.

23 22 Abb. 3.9: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke( =16 ) Bei dieser Messung wurde der -Winkel auf 16 gestellt und das Magnetfeld variiert. Diese Messung wurde nach einiger Zeit nochmals durchgeführt. Erneut ist der anfängliche Anstieg der Verstärkung sichtbar und der anschließende Abfall um ca. 30%. Abb. 3.10: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit von Auf Grund der Ergebnisse der Hamamatsu VPTT wurde die Variation des -Winkels auf eine Messreihe reduziert, um zu untersuchen, ob ein sich wiederholendes Muster auftritt. Ein solches

24 23 Muster ist auch bei dieser Messung nicht zu beobachten, ebenfalls auf Grund der aufwändigen Prozedur zur Verstellung des Winkels. Die Messungen de VPTT 0005, 0027 und 0051 befinden sich in Kapitel 5 d-f.

25 24 4. Diskussion der Ergebnisse Bei den Messungen mit den Hamamatsu VPTT zeigte sich bei allen Röhren, dass mit steigendem Magnetfeld die Verstärkung um 40% gegenüber dem Wert ohne Magnetfeld, sinkt. Durch eine Änderung des Winkels zwischen Röhre und Magnetfeld sank die Verstärkung um weitere 9% ab, was bei maximalem Magnetfeld und -Winkel zu einer Verstärkung von ca. 53% des Normalwertes führt. Bei den Messungen mit den Tetroden von RIE zeigte sich, dass bei allen Röhren die Verstärkung zunächst ansteigt. Die Höhe des Anstiegs variierte allerdings von Röhre zu Röhre zwischen 10% und 25%. Bei steigendem Magnetfeld zeigte sich ein Absinken der Verstärkung vom Maximum aus um etwa 35% bei allen Röhren, was zu einem Verstärkungswert unterhalb des Wertes ohne Magnetfeld führt. Dieser Wert liegt bei den gemessenen Röhren zwischen 70% und 95% des Normalwertes, dem Verstärkungswert ohne angelegtes Magnetfeld. Durch Variation des -Winkels erfolgte ein weiteres Absinken der Verstärkung um bis zu 9%. Bei maximalem Magnetfeld und -Winkel zeigen die RIE Tetroden eine Verstärkung zwischen 68% und 87% des Normalwertes. Durch eine Variation des -Winkels zeigte sich ein Schwanken des Verstärkungswertes um bis zu 15% bei den Tetroden beider Hersteller, das keinem Muster folgt. Innerhalb eines homogenen Magnetfeldes kann es keine Abhängigkeit der Verstärkung vom Winkel geben und es sollte sich auch kein Muster zeigen. Wird allerdings ein Winkel eingestellt, so sollte sich ein Muster zeigen. Die sichtbaren Schwankungen kommen auf Grund der Inhomogenität des Magnetfeldes und der Nichtreproduzierbarkeit der Messposition zu Stande. Zur Messung der Abhängigkeit der Verstärkung vom Winkel empfiehlt es sich einen neuen Aufbau zu entwickeln. Dieser sollte für eine Verstellung des Winkels nicht aus dem Magnetfeld genommen werden müssen, da durch kleine Änderungen des Standortes bei der neuen Positionierung des Aufbaus Fehler auftreten, durch das nicht hinreichend homogene Magnetfeld. Im Bereich der Vorwärtsendkappe des EMC wurde das auftretende Magnetfeld berechnet, bezüglich der Magnetfeldstärke und dem Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Längsachse der Szintillatorkristallen bzw. der Photoröhren. Diese Berechnungen und Diagramme wurden der Masterarbeit von Michael Leyhe entnommen ([LEY], S.35). Abb. 4.1: Magnetfeld im EMC 2,35 m hinter dem Kollisionspunkt Abb. 4.2: Winkel zwischen Kristall und Magnetfeld im EMC 2,35 m hinter dem Kollisionpunkt

26 25 Die Werte, die in der Endkappe auftreten, befinden sich zwischen den durchgezogenen Linien, die gestrichelte Linie kennzeichnet den inneren Bereich der Endkappe, in dem auf Grund der hohen Raten keine LAAPDs eingesetzt werden können und auf Vakuumphotoröhren zurückgegriffen werden muss. In diesem inneren Bereich liegt ein Magnetfeld von 0,8 1,2 T vor und ein -Winkel zwischen 9 und 17. Innerhalb dieses Bereichs zeigen die Hamamatsu Tetroden eine Verstärkung zwischen 53% und 65% des Normalwertes. Die RIE Tetroden zeigen in diesem Bereich auch jeweils eine Schwankung von bis zu 12%, aber durch die Abweichungen zwischen den Röhren liegt die Verstärkung in diesem Bereich zwischen 70% und 95% des Normalwertes. Um diese Schwankungen auszugleichen, müssten die VPTT von RIE vorher einzeln im Magnetfeld vermessen werden, um das jeweilige Verstärkungsverhalten zu bestimmen. Durch -Variation kann es in diesem Bereich auch zu einem Anstieg beim Vergleich der Verstärkung von 0 und 12 kommen. Allgemein kann folgendes Messprogramm benutzt werden, um zu bestätigen, ob eine Röhre sich unter den Bedingungen im inneren Bereich der Endkappe den Erwartungen gemäß verhält. - Messung der Verstärkung ohne Magnetfeld - Messung der Verstärkung bei einem Magnetfeld von 1,2 T ( =0 ) - Messung der Verstärkung bei einem Magnetfeld von 1,2 T und =12 Eine anschließende Normierung der Messwerte mit einem Magnetfeld von 1,2 T auf den vorher gemessenen Normalwert zeigt die Veränderung der Verstärkung der jeweiligen Röhre. Da keine weiteren Tetroden von Hamamatsu vorhanden waren, wurde dieses Messprogram für 6 Tetroden von RIE durchgeführt: Röhre Relative Verstärkung bei =0 Relative Verstärkung bei = ,86 0, ,95 0, ,75 0, ,78 0, ,80 0, ,70 0,64 Tabelle 4.1: Stichprobenmessungen bei 6 RIE VPTT Auch bei diesen Stichprobenmessungen zeigt sich der Unterschied zwischen den einzelnen RIE Tetroden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hamamatsu-Tetroden zwar ein stärkeres Absinken der Verstärkung bei den Bedingungen im Detektor zeigen, dieser Wert allerdings bei allen gemessenen Röhren innerhalb eines Bereichs von 2%-3% liegt. Die RIE-Tetroden zeigen deutlich größere Schwankungen um bis zu 30%. Die VPTT von Hamamatsu sind folglich besser geeignet, um sie in großer Stückzahl im Detektor zu verwenden, wenn der gemessene Rückgang der Verstärkung tolerierbar ist.

27 26 5. Diagramme der Messungen a. Hamamatsu VPTT ZG4475 Abb. 5.1: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.2: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =16 Abb. 5.3: Verstärkung bei variablem Abb. 5.4: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =19 Abb. 5.5: Verstärkung bei variablem

28 27 b. Hamamatsu VPTT ZG4476 Abb. 5.6: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.7: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =6 Abb. 5.8: Verstärkung bei variablem Abb. 5.9: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =12 Abb. 5.10: Verstärkung bei variablem Abb. 5.11: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =18

29 28 c. Hamamatsu VPTT ZG4477 Abb. 5.12: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.13: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =8 Abb. 5.14: Verstärkung bei variablem Abb. 5.15: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =16 Abb. 5.16: Verstärkung bei variablem

30 29 d. RIE VPTT 0005 Abb. 5.17: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.18: Verstärkung bei variablem Abb. 5.19: Verstärkung bei variablem e. RIE VPTT 0051 Abb. 5.20: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.21: Verstärkung bei variablem

31 30 f. RIE VPTT 0027 Abb. 5.22: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.23: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und =16 Abb. 5.24: Verstärkung bei variablem Abb. 5.25: Verstärkung bei variablem

32 31 6. Danksagung Ich möchte an dieser Stelle allen danken, die mich bei dieser Arbeit unterstützt haben. Insbesondere gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. Ulrich Wiedner, für die Themenstellung und die Möglichkeit am Lehrstuhl für Experimentalphysik I arbeiten zu können. Ich danke Herrn Dr. Thomas Held für die Betreuung bei sämtlichen Messaufgaben, Herrn Michael Leyhe für die Bereitstellung des von ihm verwendeten Aufbaus und seinen Erfahrungen, Herrn Dr. Matthias Steinke für die Betreuung des verwendeten Laptops. Außerdem gilt mein Dank Herrn PD Dr. Fritz-Herbert Heinsius für seine Tätigkeit als Zweitgutachter bei dieser Arbeit. Besonderer Dank geht an die Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Werner Meyer für die Bereitstellung des Magneten SOPHIE, insbesondere Herrn Dr. Christian Heß und Herrn Alexander Berlin für die Einweisung in die Bedienung des Magneten.

33 32 7.Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1: geplanter Aufbau des Detektors [GSI1]... 3 Abb. 1.2: Aufbau des elektromagnetischen Kalorimeters (EMC) von (blau: Barrelpart, grün: vordere Endkappe, rückwärtige Endkappe nicht im Bild) [GSI2]... 5 Abb. 1.3: Aufbauschema eines Photomultipliers ([DEM10], S.35)... 7 Abb. 1.4: Schema einer VPT ([LEY], S. 23)... 8 Abb. 1.5: Schema einer VPTT ([LEY], S. 24)... 8 Abb. 1.6: Skizze einer Triode mit den definierten Koordinaten ([CMS], S.16) Abb. 3.1: Messung der Verstärkung von Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke Abb. 3.2: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit des -Winkel Abb. 3.3: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =6 ) Abb. 3.4: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =12 ) Abb. 3.5: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke ( =18 ) Abb. 3.6: Messung der Verstärkung bei Hamamatsu VPTT ZG4474 in Abhängigkeit von Abb. 3.7: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke Abb. 3.8: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit von Abb. 3.9: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke( =16 ) Abb. 3.10: Messung der Verstärkung bei RIE VPTT 0003 in Abhängigkeit von Abb. 4.1: Magnetfeld im EMC 2,35 m hinter dem Kollisionspunkt Abb. 4.2: Winkel zwischen Kristall und Magnetfeld im EMC 2,35 m hinter dem Kollisionpunkt Abb. 5.1: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.2: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.3: Verstärkung bei variablem Abb. 5.4: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.5: Verstärkung bei variablem Abb. 5.6: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.7: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.8: Verstärkung bei variablem Abb. 5.9: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.10: Verstärkung bei variablem Abb. 5.11: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.12: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.13: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.14: Verstärkung bei variablem Abb. 5.15: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.16: Verstärkung bei variablem Abb. 5.17: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.18: Verstärkung bei variablem Abb. 5.19: Verstärkung bei variablem Abb. 5.20: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.21: Verstärkung bei variablem Abb. 5.22: Verstärkung bei variablem Magnetfeld Abb. 5.23: Verstärkung bei variablem Magnetfeld und = Abb. 5.24: Verstärkung bei variablem Abb. 5.25: Verstärkung bei variablem... 30

34 33 8. Tabellenverzeichnis Tabelle 1.1: Eigenschaften der vermessenen Röhren ([HAM], [RIE])... 9 Tabelle 4.1: Stichprobenmessungen bei 6 RIE VPTT Literaturverzeichnis [GSI1] GSI: Aufbau des Detektors entnommen: [GSI2] GSI: Aufbau des EMC entnommen: [DEM10] Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 3 Atome, Moleküle und Festkörper Springer Verlag Berlin, 4. Aufl., 2010 [LEY] Michael Leyhe: Tests zur Auslese von PWO-Szintillatoren Masterarbeit, Bochum, 2010 [HAM] Hamamatsu Photonics K.K: Datenblatt [RIE] RIE Vacuum Phototetrode(VPTT) Certificate: Datenblatt zu VPTT 0001 Version: [CMS] The Compact Moun Solenoid Experiment: CMS Note CMS NOTE 1999/32 Version: