Investigation of the response of a CALIFA demonstrator and development of an APD test stand

The R3B experiment is a part of the future FAIR project at GSI. It will be used to study reactions with relativistic radioactive beams (R3B). The setup will be placed in the high-energy branch of the Super-FRS. It aims to cover various physics programs. The CALIFA is a spectrometer and a calorimeter. It will surround the central target and detect high-energetic gamma-rays and light charged particles. The CALIFA group made a DEMONSTRATOR to do a systematic study before a mounting together a complete detection system. It is a first step of the set-up and has been used at the first experiment in CAVE C of GSI. The main parts of the DEMONSTRATOR are called PETAL, which is a group of 64 crystals in a holding carbon fiber structure.

For the first part of this thesis, I have tested a PETAL in the laboratory of the institute of nuclear physics (IKP), TU Darmstadt and also gone over the analysis framework (R3BRoot) by comparing the results of previous studies and my simulation. The basic properties of the detection unit, the event reconstruction and particle identification have been checked. In addition, the measurement programs have been simulated to be compared to the data. R3BRoot, which is an analysis and simulation toolkit of the R3B experiment, was used. Several measurements were done, for which different sources were used: an AmBe source (gamma-rays, fast neutrons), thermalized neutrons (high-energy gamma-rays via capture process) and muons from cosmic-rays.

The second part of this thesis is devoted to the development of a quality assurance test stand for the CALIFA APDs. A part of CALIFA employs CsI(Tl) crystals coupled with APDs as a detection unit. Every single APD has to be tested before it is assembled with the CsI(Tl) crystal. I have designed and tested the Q.A. test stand for the APDs. The main idea of the test stand is to provide controlled conditions and a testing signal for the APDs and to measure the variance of the output. As a result, it will provide information to characterize the individual units. This data will be used to compensate temperature-related gain shifts during the measurement.

Das R3B Experiment ist ein Teil des zukünftigen FAIR Projekts an der GSI. Es wird verwendet werden, um Reaktionen mit relativistischen radioaktiven Strahlen zu untersuchen. Der Aufbau wird am Hochenergiearm des Super-FRS liegen. Das Ziel ist, es verschiedene Physikprogramme mit diesem Aufbau zu ermöglichen. Daher ist CALIFA sowohl als Spektrometer als auch als Kalorimeter konzipiert. Es wird das zentrale Target umschließen und hochenergetische Gammastrahlung und leichte geladene Teilchen detektieren. Die CALIFA-Kollaboration fertigte zunächst einen DEMONSTRATOR an, um eine systematische Untersuchung vor der Montage des kompletten Detektorsystems durchzuführen. Es ist der erste Schritt hin zum vollständigen Aufbau und wurde bereits im ersten Experiment im CAVE C der GSI verwendet. Der Hauptteil des DEMONSTRATORs trägt die Bezeichnung PETAL, und bezeichnet eine Gruppe von 64 Kristallen, welche sich in einer Karbonfaserummantelung befinden.

Als ersten Teil meiner Thesis habe ich das PETAL im Labor des IKP der TU Darmstadt getestet. Außerdem habe ich das Analyseframework (R3BRoot) dazu genutzt, die Ergebnisse aus früheren StudienTDRBarrel,TDREndcap und meiner Simulation zu vergleichen. Die grundlegenden Eigenschaften des Detektorsystems, die Eventrekonstruktion und die Teilchenidentifikation wurden überprüft. Zusätzlich wurden die durchgeführten Messungen simuliert und mit den experimentellen Daten verglichen. Das Analyse- und Simulationstoolkit R3BRoot wurde hierzu verwendet. Mehrere Messungen wurden ausgeführt, für welche verschiedene radioaktive Quellen verwendet wurden: eine AmBe-Quelle (Gammastrahlung, schnelle Neutronen), thermische Neutronen (hochenergetische Gammastrahlung mittels Einfangsprozessen) und aus der Höhenstrahlung stammende Myonen.

Der zweite Teil dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Qualitätssicherungsteststandes für die CALIFA APDs. Dies war notwendig, da ein Teil von CALIFA mit APDs gekoppelte CsI(Tl) Kristalle als Detektionseinheit verwendet. Jede einzelne APD musste getestet werden, bevor diese mit dem CsI(Tl) Kristall verbunden werden konnte. Dieser Teststand wurde von mir entworfen und getestet. Die Hauptidee des Teststandes besteht darin kontrollierbare Bedingungen und ein Testsignal für die APDs bereitzustellen und die Varianz der Ausgabe zu bestimmen. Als Ergebnis wurden so Informationen über die einzelnen Einheiten erhalten. Diese Daten werden verwendet, um temperaturabhängige Verstärkungsverschiebungen während eines Experiments ausgleichen zu können.