Der Bereich der Kernphysik beschäftigt sich im Allgemeinen mit der Untersuchung der Struktur und der Dynamik von Kernen. ELI-NP wird Photonen mit Energien von wenigen keV bis zu 19.5 MeV für diese Art von Grundlagenforschung liefern können. Die zu untersuchenden Kerne werden dabei von den Photonen angeregt und der anschließende Zerfall in Form von Gammastrahlung in Germanium-Detektoren, die bis heute die höchste Energieauflösung bieten, beobachtet. Bei der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie kommt es in den Germanium-Detektoren zu Effekten, die den Untergrund in einem Spektrum erhöhen. Diese können durch den Einsatz einer Kombination von Szintillationskristallen mit Halbleiterdioden um den Detektor, als ein sogenanntes Anti-Compton-Schild (ACS), reduziert werden.

Für Gammaquanten mit hohen Energien ist die Paarbildung der dominante Wechselwirkungsprozess in Materie. Im Falle von Germanium liegt diese Energie bei 8 MeV. Die entstehenden Positronen entkommen aus der Materie oder annihilieren mit den Elektronen aus der Umgebung und es entstehen zwei 511-keV-Gammaquanten, die in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Dies kann im Allgemeinen dazu führen, dass eins dieser Quanten, oder auch beide, aus dem Detektor entkommen können und somit nicht die volle Energie des primären Gammaquants deponiert wird. Dadurch entstehen sogenannte Single-Escape- und Double-Escape-Peaks, die das aufgenommene Spektrum komplexer machen. Eine weitere Quelle für Untergrund ist die Compton-Streuung. Hierbei wird das einfallende Photon aus dem Detektor herausgestreut ohne seine gesamte Energie darin deponiert zu haben. Um diesen Verunreinigungen vorzubeugen, sowie Compton-Untergrund zu verringern, wird oftmals ein ACS aus einem effizienten Material (meist BGO) zum Stoppen von Gammaquanten um einen Detektor gebaut. Koinzidente Events von HPGe-Detektor und ACS werden unterdrückt, wodurch das Spektrum sauberer wird.

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Entwicklung, den Aufbau und die Charakterisierung eines HPGe-BGO-Paarspektrometers, auch ELIPS (ELI-NP Paar Spektrometer) genannt, am Gammastrahl von ELI-NP in Bukarest-Magurele, Rumänien. Das ELI-NP ist eine einzigartige europäische Forschungseinrichtung, die in Zukunft u. a. brillante Gammastrahlung mit hoher Intensität bis zu einer Energie von 19.5 MeV liefern soll. ELIADE ist dort ein wichtiges Instrument zur gammaspektroskopischen Untersuchung von photonuklearen Reaktionen und besteht aus 8 HPGe-Clover-Detektoren. Mithilfe des Paarspektrometers soll die Effizienz von einem dieser Detektoren bei hohen Energien erhöht und somit die hochauflösende Gammaspektroskopie erweitert werden. Durch die Verwendung von 64 BGO-Kristallen wird das Paarspektrometer zu einer verbesserten Version eines ACS, da eine genauere Positionsbestimmung für die Gammaquanten ermöglicht wird. Koinzidente Ereignisse aus beispielsweise zwei 511-keV-Gammastrahlen in zwei gegenüberliegenden BGO-Kristallen und einer Double-Escape-Energie im HPGe-Detektor können als ein zusammenhängender Vorgang betrachtet und somit die volle Energie des primären Gammastrahls rekonstruiert werden, allerdings auf Kosten von Statistik. Die höhere Granularität erfordert jedoch auch zusätzlich eine kleinere Ausleseelektronik um die mechanische Kompatibilität mit ELIADE zu gewährleisten, weshalb MPPC-Arrays dazu benutzt werden.

ELIPS kann auch alleinstehend verwendet werden. Durch das Einsetzen eines Targets anstatt des HPGe-Detektors in das Spektrometer kann es als Intensitätsmonitor für einen Gammastrahl benutzt werden oder z.B. zur Untersuchung des Wirkungsquerschnitts für Paarproduktion nahe an der Schwelle.

Die ersten Experimente mit dem fertigen Paarspektrometer wurden zu Testzwecken an der TU Darmstadt, am Institut für Kernphysik in Köln, sowie am Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests werden in dieser Arbeit vorgestellt.