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Evolution of CALIFA: From single detector modules to benchmark reactions

Hartig, Anna-Lena (2022):
Evolution of CALIFA: From single detector modules to benchmark reactions. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020884,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Evolution of CALIFA: From single detector modules to benchmark reactions
Language: English
Abstract:

As one of the key detectors of the R3B setup (Reactions with Radioactive Relativistic Beams) at FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), the CALIFA (CALorimeter for the In Flight detection of γ rays and light charged pArticles) detector array surrounds the reaction target and measures γ rays with energies of 100keV < E_γ < 30MeV as well as light charged particles up to E particle = 700MeV. The entire array will consist of 1952 CsI(Tl) scintillating crystals in the Barrel and 460 crystals in the Endcap part. Each crystal is read-out by a Large Area Avalanche Photo Diode. To match the requirements, several steps, tests and quality assurance procedures have to be fulfilled in order to provide the basic components of the CALIFA array. This work gives a detailed description of the assembly of 120 Endcap detector-units and the equipment of two Endcap segments. Furthermore, a gain-matching procedure is performed on the two Endcap segments and their energy resolution is compared to additional test results on the same crystals and to test data stemming from Barrel detectors. A benchmark experiment was performed at the Bronowice Cyclotron Center in Kraków using the quasi-free scattering reaction 208Pb(p,2p)207 Tl in direct kinematics. Within the scope of the experiment, a monoenergetic proton beam of E beam = 200 MeV impinged on a 208 Pb target and the outgoing protons and γ rays were detected by 3 CALIFA petals, containing 64 crystals each. Additionally, two DSSSDs (Double Sided Silicon Strip Detectors) were used to enable vertex reconstruction. The entire setup was read-out by the CALIFA DAQ and operated in air. As proof of concept, two known γ transitions in 207Tl could be identified studying the reaction 208Pb(p,2p)207Tl. In coincidence with one proton, the transition from the 11/2− state, with a lifetime of 1.33s, could be observed. Furthermore, it could be shown in this work that the coincident measurement of the two outgoing protons together with the γ ray, stemming from the transition of the 5/2+ state to the 3/2+ state in 207Tl, is feasible. For use at FAIR, the performance of the CsI(Tl) detectors matches the requirements of CALIFA. The conducted experiment is the first successful measurement of a (p,2pγ) reaction for such heavy nuclei and therefore was a good test case for experiments planned at FAIR that will investigate nuclei in the third r-process peak.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Als einer der Schlüsseldetektoren des R3B Aufbaus (Reactions with Radioactive Relativistic Beams) an FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), umgibt der CALIFA-Detektoraufbau (CALorimeter for the In Flight detection of γ rays and light charged pArticles) das Reaktionstarget und misst sowohl γ-Strahlen mit Energien von 100keV < E_γ < 30MeV als auch leichte geladene Teilchen mit Energien von bis zu E particle = 700MeV. Der gesamte Aufbau wird aus 1952 CsI(Tl)-Szintillationskristallen im Barrel und 460 Kristallen im Endcapteil bestehen. Jeder Kristall wird mit einer Large Area Avalanche Photo Diode ausgelesen. Um den Anforderungen zu genügen, werden diverse Fertigungsschritte, Tests und Qualitätsicherungsmaßnahmen durchgeführt, um die Grundkomponenten des CALIFA Aufbaus zur Verfügung zu stellen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine detailierte Beschreibung der Herstellung von 120 Endcapdetektoreinheiten und der Bestückung von zwei Endcapsegmenten. Darüberhinaus wurde ein Verfahren zur Anpassung der Verstärkung an zwei Endcapsegmenten durchgeführt und die Energieauflösung der Kristalle wurde mit weiteren Testergebnissen und mit Testdaten von Barreldetektoren verglichen. Am Bronowice Cyclotron Center in Krakau wurde ein Testexperiment durchgeführt, das sich der quasifreien Streuung 208Pb(p,2p)207Tl in direkter Kinematik bediente. Dazu wurde ein monoenergetischer Protonenstrahl von E Beam = 200MeV auf ein 208Pb-Target geleitet und die ausgehenden Protonen und γ-Quanten wurden mit drei CALIFA-Petals, die je 64 Kristalle enthalten, vermessen. Zusätzlich wurden zwei DSSSDs (Double Sided Silicon Strip Detectors) genutzt um die Scheitelpunktrekonstruktion durchzuführen. Der gesamte Aufbau wurde mit der CALIFA-DAQ ausgelesen und an Luft betrieben. Zum Konzeptnachweis wurden zwei bekannte γ-Übergänge in 207Tl mit Hilfe der Reaktion 208Pb(p,2p)207Tl identifiziert. Zusammen mit einem Proton wurde der γ-Übergang vom 11/2− Zustand mit einer Lebensdauer von 1.33s beobachtet. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Messung von zwei ausgehenden Protonen zusammen mit dem γ-Quant, das vom Übergang vom 5/2+ Zustand zum 3/2+ Zustand in 207Tl stammt, umsetzbar ist. Zur Nutzung an FAIR genügen die Ergebnisse der CsI(Tl)-Detektoren den Ansprüchen von CALIFA. Das durchgeführte Experiment ist die erste erfolgreiche Messung einer (p,2pγ)-Reaktion für solch schwere Kerne und deshalb ein guter Testfall für die geplanten Experimente an FAIR, die Kerne der A = 196 Erhöhung in den Elementhäufigkeiten des r-Prozesses untersuchen werden.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 93 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimental Nuclear Structure Physics with Exotic Ion Beams
TU-Projects: Bund/BMBF|05P12RDFN8|FAIR-NUSTAR TP3
DESY|05P15RDFN1|NuSTAR3 (R3B/CALIFA)
Bund/BMBF|05P19RDFN1|NuSTAR 2019 TP5
Date Deposited: 21 Mar 2022 13:17
Last Modified: 03 Aug 2022 07:20
DOI: 10.26083/tuprints-00020884
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-208848
Referees: Kröll, Prof. Dr. Thorsten ; Enders, Prof. Dr. Joachim
Date of oral examination: 19 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20884
PPN: 492817642
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