HYDRA-TPC Prototype - a Time Projection Chamber for Light Hypernuclei Study at R³B, GSI/FAIR

Hypernuclei offer a unique approach to investigating hyperon-nucleon interactions. However, their extremely short lifetimes, on the order of sub-nanoseconds, pose significant experimental challenges. The HYpernuclei Decay at R³B Apparatus (HYDRA) experiment, designed for operation within the R³B setup at GSI/FAIR, aims to perform heavy-ion collision experiments with the primary objective of performing high-precision invariant mass spectroscopy of light hypernuclei. This thesis presents the development of the HYDRA Time Projection Chamber (TPC) specifically designed for tracking π − produced from hypernuclear decays within the GLAD magnet of the R³B. The TPC incorporates a double-layer wired drift field cage with a drift distance of 300 mm and an active area of 256 × 88 mm2. A hybrid amplification stage was implemented, comprising a Gas Electron Multiplier (GEM) and a Micromegas detector. This configuration is expected to achieve an ion back-flow of less than 1%. The design of the field cage was optimized through two-dimensional simulations employing the finite element method and Monte Carlo techniques to ensure a homogeneous drift field. Electron drift displacement was determined to be less than 250 µm at the edge of the active region and less than 200 µm in the central region of the TPC. The gain performance of the TPC was characterized using an X-ray source. By adjusting the high voltage applied to the electrodes, the influence of varying high voltages in different regions on the overall effective gain of the TPC was quantified. The TPC was successfully commissioned with a front-end readout system incorporating multiplexing boards and digitizing readout electronics based on the GET system. Subsequently, its tracking performance was assessed through measurements of laser tracks generated by a 266-nm ultraviolet laser source and reflected into the drift volume by micromirror bundles, which were integrated within the TPC. A tracking algorithm was developed to reconstruct these laser tracks. Experimental results demonstrated a spatial resolution better than 3 mm in the drift direction, while the pad plane resolution did not meet the desired 200 µm requirement. Finally, the influence of magnetic fields on the drift electron trajectories was investigated within the GLAD magnet at magnetic field strengths ranging from 0 to 0.92 T.

Hyperkerne bieten einen einzigartigen Zugang zur Untersuchung von Hyperon-Nukleon-Wechselwirkungen. Ihre extrem kurzen Lebensdauern, in der Größenordnung von Sub-Nanosekunden, stellen jedoch erhebliche experimentelle Herausforderungen dar. Das HYpernuclei Decay at R³B Apparatus (HYDRA)-Experiment, das für den Betrieb innerhalb der R³B-Anlage bei GSI/FAIR konzipiert wurde, zielt darauf ab, Hyperkerne mit Hilfe von Schwerionenkollisionsexperimenten und hochpräziser invarianter Massenspektroskopie zu untersuchen. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung der HYDRA zeitprojektionskammer (TPC), die speziell für die Spurverfolgung von π − entwickelt wurde, die aus hypernuklearen Zerfällen innerhalb des GLAD-Magneten von R³B entstehen. Die TPC verfügt über einen zweischichtigen, drahtgestützten Driftfeldkäfig mit einer Driftstrecke von 300 mm und einer aktiven Fläche von 256 × 88 mm2. Eine hybride Verstärkungsstufe wurde implementiert, die aus einem Gas-Elektron-Multiplier (GEM) und einem Micromegas-Detektor besteht. Diese Konfiguration wird voraussichtlich einen Ionenrückfluss von weniger als 1% erreichen. Das Design des Feldkäfigs wurde durch zweidimensionale Simulationen, unter Verwendung der Finite-ElementeMethode und Monte-Carlo-Techniken optimiert, um ein homogenes Driftfeld sicherzustellen. Die Elektronendri ftverschiebung wurde am Rand des aktiven Bereichs auf weniger als 250 µm und im zentralen Bereich der TPC auf weniger als 200 µm bestimmt. Die Verstärkungsleistung der TPC wurde mit einer Röntgenquelle charakterisiert. Durch Anpassung der an die Elektroden angelegten Hochspannung, wurde der Einfluss variierender Hochspannungen in verschiedenen Bereichen auf die gesamte effektive Verstärkung der TPC quantifiziert. Die TPC wurde erfolgreich in Betrieb genommen, wobei ein Front-End-Auslesesystem mit Multiplexeingängen und die digitalisierende Ausleseelektronik auf Basis des GET-Systems integriert wurden. Anschließend wurde die Spurverfolgungsleistung durch Messungen von Laser-Spuren bewertet, die von einer 266-nm-UltraviolettLaserquelle erzeugt und durch Mikrospeigel-Bündel, die in der TPC integriert waren, in das Driftvolumen reflektiert wurden. Ein Tracking-Algorithmus wurde für die Rekonstruktion dieser Laser-Spuren entwickelt. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine räumliche Auflösung von besser als 3 mm in Driftrichtung, während die Pad-PlaneAuflösung die gewünschte Anforderung von 200 µm nicht erfüllte. Zusätzlich wurde der Einfluss eines externen Magnetfelds auf die Driftbahnen der Elektronen innerhalb des GLAD-Magneten bei Magnetfeldstärken von 0 bis 0,92 T untersucht.