PANDA EMC Lichtpulser

Transkript

1 PANDA EMC Lichtpulser Christof Motzko Seminar WS 2008/09

2 Überblick PANDA EMC LED Pulser Einkopplung des Lichts in die Lichtfasern LCD als Transmissionsfilter Zusammenfassung und Ausblick

3 PANDA EMC Das elektromagnetische Kalorimeter (EMC) besteht aus etwa Bleiwolframat Kristallen (PWO) PWO verliert durch Strahlenschäden seine Lichtdurchlässigkeit Referenzsystem notwendig Lichtpulsersystem das Licht in die Kristalle einkoppelt um die Transmissionsverluste zu messen

4 Anforderungen an den LED Pulser Die Pulsform des LED Pulsers soll der Pulsform des Szintillationslichts von Bleiwolframat (PWO) bei 25 C entsprechen Kurze Anstiegszeiten des Lichtpulses tr = 6 ns Die Lichtintensität eines Lichtpulses soll äquivalent der Lichtintensität des Szintillationslichts eines bei 25 C betriebenen PWO Kristalls bei 15 GeV deponierter Energie sein Hohe Lichtintensität um möglichst viele Kristalle beleuchten zu können

5 Avalanche LED Pulser IC 1 und 2 erzeugen einen kurzen Triggerpuls Der Kondensator C2 wird bei einem Triggerpuls entladen und liefert den nötigen Strom für die LED Getestet wurden 3 verschiedene Transistoren (1 Avalanche Transistor und 2 MOSFETs)

6 Pulsform Es wurden folgende Anstiegs und Abfallzeiten gemessen: Avalanche Transistor: tr=10 ns, tf=50 ns MOSFET 1: tr=7,5 ns, tf=19,9 ns MOSFET 2: tr=14,6 ns, tf=34,5 ns

7 2. LED Pulser Optokoppler dient der galvanischen Trennung Der Kondensator C2 ist der Ladekondensator Die Anstiegszeit lässt sich über den Widerstand R10 steuern

8 Pulsform U = 450 V U = 460 V Pulsform von der Spannung abhängig U < 420 V: kleiner Puls mit langen Anstiegszeiten U = 450 V: Lichtpuls mit kurzer Anstiegszeit tr=5,7 ns 420 V < U < 450 V: kein stabiler Puls U > 450 V: sehr kurze Anstiegszeit, jedoch zwei Pulse vorhanden

9 3. Pulser Der Kondensator C3 ist der Ladekondensator Lichtpulse hatten immer 3 Pulse

10 Lichtintensität verschiedener Kombinationen von LED Pulsern und LEDs Die Spannung des Avalanche LED Pulser ist nicht hoch genug um die LUXEON V zu betreiben Die Kombination aus dem LED Pulser mit 2 Avalanche Transistoren und der LUXEON I LED erzeugt die Lichtpulse mit der größten Lichtintensität

11 Aufbau mit Auslesekette und Datenerfassung Messaufbau mit der Lichteinkopplung und den Photomultiplieren befanden sich in einer Kiste Auslese der Lichtintensität erfolgt über ein Daten erfassungsprogramm auf dem Mess PC LED Pulser wird mit 450 V und 1 khz betrieben

12 Messaufbau I Messaufbau für die Lichteinkopplung ist auf einer Linearführungsschiene montiert Der Kreuztisch zur Aufnahme der Intensitätsprofile ist fest mit der Linearführungsschiene verschraubt Der LED Pulser und die Halterung für den Lichtmischer befinden sich auf Wagen die entlang der z Achse verschoben werden können

13 Messaufbau II Der Kreuztisch besteht aus 2 Linearverschiebern die mit jeweils einem Schrittmotor betrieben werden Eine LCD kann zwischen zwei Plastikblöcke fixiert werden, die zwischen LED und Lichtmischer montiert sind Mit der Lichtfaserhalterung ist es möglich die Lichtfaser in einem Winkel von 0 bis 45 in 5 Schritten zum Lichtmischer zu positionieren

14 FRAEN Linse Spezielle Linse für die LUXEON LEDs um den Öffnungswinkel der LED zu reduzieren (Ө=160 > Ө=10 ) Durch die FRAEN Linse steigt die Lichtintensität hinter dem Lichtmischer um den Faktor 2,9

15 Intensitätsprofile I Messung von 4 verschiedenen Lichtmischern Ein Diffusor ist für ein homogenes Intensitätsprofil notwendig Die mittlere quadratische Abweichung beträgt beim 15 cm Lichtmischer 1 %

16 Intensitätsprofile II Test einer zweiten Linse (f = 5 cm) im Strahlengang zwischen FRAEN Linse und Lichtmischer Stärkere Schwankungen der Lichtintensität zwischen den einzelnen Messpositionen Mittlere quadratische Abweichung für den Lichtmischer mit 15 cm Länge beträgt 2,2 %

17 Intensitätsverluste durch den Lichtmischer Abweichungen zwischen den einzelnen Lichtmischern beträgt maximal 7 % Grund für die geringe Abweichung ist die angerauhte Front der Lichtmischer da diese nicht exakt gleich hergestellt werden konnten > Intensitätsverluste durch die angerauhte Front bei jedem verwendeten Lichtmischer unterschiedlich Die Verluste durch Verwendung eines Lichtmischers betragen etwa 40 %

18 Langzeitstabilität Messung der Lichtintensität an zwei Positionen über ein Zeitraum von 90 Stunden Der Anstieg zu Beginn der Messung stammt von den langsamen Temperaturabfall in der Kiste Nach der Abkühlung betrug die Schwankung 0,3 %

19 Lichtintensität in Abhängigkeit des Abstandes Lichtmischer LED Da zwischen LED und Lichtmischer ein Filter angebracht werden soll, ist ein Abstand notwendig Die Intensitätsprofile verändern sich nicht, mittlere quadratische Abweichung beträgt 1 % Die Lichtintensität fällt mit dem Abstand deutlich ab

20 Lichtintensität in Abhängigkeit des Abstandes Lichtmischer Lichtfaser Ein Abstand zwischen Lichtmischer und Lichtfaser kann Inhomogenitäten der Lichtmischeraustrittsfläche glätten Die Intensitätsprofile zeigen alle ein deutliches Plateau Die Lichtintensität hängt nicht vom Abstand ab

21 Lichtintensität in Abhängigkeit des Winkels Messung mit Hilfe einer Faserhülse die den Öffnungswinkel auf 2,7 reduziert Aus diesen Daten kann die Lichtintensität abgeschätzt werden die aus einem Winkelbereich in eine Faser, die senkrecht zur Lichtmischergrundfläche montiert ist, eingestrahlt wird

22 Bestimmung der absoluten Lichtintensität Als Referenz wurden Cosmics gemessen Die Lichtfaser (d = 400µm, NA = 0,37) wurde an der Ecke des Kristalls befestigt Die absolute Lichtintensität entspricht einer deponierten Energie von 7,3 GeV

23 LCDs als Transmissionsfilter Bisherige Lichtpulsersysteme bestehen aus wenigen zentralen Lichtpulsereinheiten außerhalb des Detektors Für den PANDA Detektor wurde vorgeschlagen mehrere kompakte Lichtpulsereinheiten innerhalb des Detektors zu montieren Kleine Filtereinheiten die wartungsfrei sein müssen und deswegen keine beweglichen Teile haben dürfen Bei LCDs wird die Transmission durch die angelegte Spannung gesteuert

24 Aufbau einer LCD LCD (liquid crystal display) Flüssigkristalle sind lange Moleküle mit großen Dipolmoment Eine LCD besteht aus zwei Glasplatten auf denen außen Polarisationsfolien angebracht sind zwischen denen sich die Flüssigkristalle befinden

25 Funktionsprinzip einer LCD Licht wird zunächst an der ersten Polarisationsfolie polarisiert Die Flüssigkristalle drehen die Polarisationsebene des Lichts bei ausgeschalteter Spannung An der zweiten Polarisationsfolie wird das Licht je nach Polarisation absorbiert oder durchgelassen

26 Transmissionseigenschaften Transmissionsunterschied zwischen minimaler und maximaler Transmission beträgt 66 (1 LCD) und 4673 (2 LCDs) > mit 2 LCDs kann der gesamte geplante Energiebereich überprüft werden Transmissionsverlust bei 5 V betragen 69 % (1 LCD) und 82 % (2 LCDs)

27 Langzeitstabilität Aufnahme einer Transmissionskurve vor und nach 2000 Zyklen Transmissionskurven haben den gleichen Verlauf Nach 2000 Zyklen ist der Transmissionsunterschied um 5 % größer

28 Intensitätsprofile Messung der Intensitätsprofile mit einer LCD im Strahlengang Beim Lichtmischer mit 2 polierten Seitenflächen beträgt die mittlere quadratische Abweichung zur Messung ohne LCD 3,8 % Bei den Lichtmischern mit angerauhter Front sind die Abweichungen kleiner (< 1 %)

29 Zusammenfassung Der vorgestellte Pulser (2. Pulser) erzeugt Lichtpulse der geforderten Form Mit der FRAEN Linse und einem 15 cm langen Lichtmischer dessen Frontseite angerauht ist lässt sich eine homogene Lichtverteilung erzeugen Für die Steuerung der Lichtintensität sind LCDs geeignet, erfordern aber eine Lichtquelle mit einer hohen Lichtintensität Die Lichtintensität ist entspricht nicht den geforderten Wert, deswegen sind weitere Messungen zur Steigerung der Lichtintensität notwendig. Möglichkeiten wären: Umbau des Lichtpulsers für den Betrieb mit höheren Spannungen und größeren Strömen Reduzierung der Lichtmischergrundfläche