DIRC-Detektoren

Exzellente Teilchenidentifikation ist essentiell für den Erfolg des PANDA-Physik-Programms. Zwei schnelle und kompakte Cherrenkov-Zähler, die die führende Technologie der Detektion von intern reflektiertem Chenrenkov-Licht (engl. Detection of Internally Reflected Cherenkov light - DIRC) nutzen, werden effiziente und saubere Teilchenidentifikation für das PANDA-Targetspektrometer leisten.

Chrenkov-Strahlung wurde das erste mal für über 100 Jahren von Marie und Pierre Curie beobachtet, von Pavel Cherenkov in 1934 experimentell untersucht und 1937 von Ilya Frank und Igor Tamm theoretische erklärt, .....was zur Verleihung eines Nobel-Preises in 1958 führte. Cherenkov-Licht wird emittiert wenn geladene Teilchen ein dielektrisches Medium mit einer Geschwindigkeit passieren, die schneller ist als die Phasen-Geschwindigkeit von Licht in diesem Medium. Der Emissionswinkel der Cherenkov-Photonen bezüglich der Teilchenbahn und auch die Anzahl der emittierten Photonen sind mit der Teilchengeschwindigkeit korreliert. Diese Information liefert in Kombination mit der Impulsmessung durch die Spurdetektoren liefert erstklassige Teilchenidenfikation für Hadronen und Leptonen über einen großen Winkel- und Impulsbereich.

Im Gegensatz zu konventionellen Aerogel-basierten Ring Imaging Cherenkov counters (RICH), verwenden DIRC-Detektoren präzise Quarz-Balken oder -Platten als Radiator-Material, um Cherenkov-Licht zu generieren. Die Cherenkov-Photonen werden dann durch Totalreflektion in den Quarzglas-Radiatoren gefangen und zu Photo-Detektoren außerhalb der Teilchenbahnen geleitet, um sie zu messen. Dieses Prinzip ermöglicht es, die DIRC-Detektoren deutlich kompakter zu bauen, als bei konventionellen Cherenkov-Detektoren möglich wäre. Im PANDA-Targetspektrometer werden zwei DIRC-Detektoren verwendet, ein zylindrischer DIRC (Barrel) und ein kreischeibenförmiger DIRC (Endcap Disc DIRC).

Beide DIRC-Detektoren werden Radiator-Balken oder -Platten aus synthetischem Qarzglas verwenden. Dieses Material hat eine hervorragende Transparenz, selbst nachdem es sehr hohen Strahlendosen ausgesetzt war, und kann mit hoher Präzision bearbeitet und poliert werden. Diese Eigesnchaften stellen sicher, dass der Photonentransport innerhalb des Radiators sehr effizient ist und die Photonwinkel nach hunderten Totalreflexionen immer noch rekonstruiert werden können. Fokussieroptik bildet die Cherenkov-Photonen auf Reihen aus Mikrokanalplatten-Photovervielfacher-Röhren (MicroChannel Plate PhotoMultiplier Tubes - MCP-PMT) ab, die in einem 1 T Magnetfeld betrieben werden könne.....n und den Auftreffpunkt und die Zeit der Photonen mit einer exzellenten Zeitauflösung von 40 ps oder besser messen.

Barrel DIRC

Der Barrel-DIRC wird einen Polarwinkelbereich von 22°-140° und kann für Impulse zwischen 0.5 GeV/c und 3.5 GeV/c sehr sauber mit einer Trennleistung von mindestens drei Standardabweichung zwischen geladenen Pionen und Kaonen unterschieden. Das Design basiert auf dem erfolgreichen BaBar DIRC und den SuperB FDIRC Entwicklungen mit zahlreichen wichtigen Optimierungen, um die Performanz für den PANDA-Detektor zu verbessern, durch beispielsweise breite.....re und kürzere Radiator-Balken, ein sphärisches Fukussiersystem, schnelle zeitliche Abstimmung, ein kompaktes Quarzglas-Primsa als Expansionsregion und in Form von MCP-PMTs Photosensoren mit erhöhter Lebensdauer.

Der Barrel DIRC besteht aus sechzehn optisch isolierten Sektoren, die jeweils aus einem Quarzglas-Balken-Feld und einem -Prisma bestehen, und das Strahlrohr in Form eines 16-flächigen Zylinder mit einem Radius von 476 mm bestehen. Jedes Balken-Feld besteht aus nebeneinander platzierten und durch eine schmalle Luftlücke getrennten synthetischen Quarzglas-Balken mit 17 mm Dicke, 53 mm Breite und 2400 Länge (durch zwei 1200 mm langen aneinander geklebte Stücke hergestellt). Ein flacher Spiegel wird am vorderen Ende jedes Balken angebracht um die Photonen in Richtung der Auslese zu reflektieren, wo sie bei einer dreilagigen sphärischen Linse auf die Rückseite eines 300 mm dicken Quarzglas-Prismas, das als Expansionsvolumen dient, fokussiert werden. Eine Reihe von 12 MCP-PMTs pro Sektor, jeder aus 8x8 Pixeln von etwa 6.5 mm x 6.5 mm Größe, befindet sich an der Rückseite der Prismen. Die MCP-PMTs werden durch FPGA-basierte Elektronik ausgelesen und die Ankunftszeit auf den insgesamt 11300 Pixeln mit einer Präzision besser als 100 ps. Die Rekonstruktion der Cherenkov-Licht-Abbildung wird mit einem Maximum-Likelihood-Test durchgeführt, der auf der Photon-Ankunftszeit auf den einzelnen MCP-PMT-Pixeln basiert. Detailierte Monte-Carlo-Simulationen und Messungen mit komplexen Prototypen in Teilchenstrahlen an der GSI und am CERN PS ergeben, dass der Barrel-DIRC in der Lage sein wird mit einer Trennleisutng von 4 bis 14 Standardabweichungen geladene Pionen von Kaonen zu unterscheiden.

Endcap Disc DIRC

Die Teilchenidentifikation des Endcap Disc DIRC Detektors (EDD) beruht auf der Messung von Cherenkov-Photonen. Diese werden von geladenen Teilchen emittiert, die sich schneller als Licht in dem sie umgebenden Medium bewegen. Der Öffnungswinkel zwischen Teilchenbahn und Cherenkov-Photonen ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Teilchens. Aus der Geschwindigkeit und dem Impuls des geladenen Teilchens wird dann seine Ruhemasse und somit seine Identität bestimmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Cherenkov Detektoren nutzen DIRC Detektoren hochpräzise Quarzplatten als Radiatormaterial. Durch Totalreflexion an den Oberflächen werden die Cherenkov Photonen zum Rand der Platte transportiert und können dort gemessen werden. Auf diese Weise kann der DIRC Detektor wesentlich kompakter gebaut werden als herkömmliche Cherenkov Detektoren.

Der geplante EDD-Detektor besteht aus vier eigenständigen Quadranten, die in der oberen Abbildung auf der rechten Seite zu sehen sind und von denen einer transparent hervorgehoben ist. Zentraler Teil jedes Quadranten ist eine 2 cm dicke Scheibe aus Quarzglas. Die Oberflächen sind bis auf wenige μm parallel und sorgen zusammen mit der hohen Transparenz des Materials für einen möglichst verlustfreien und winkelerhaltenden Transport der Cherenkov-Photonen zum äußeren Rand des Detektors.

Dort sind speziell gefertigte Fokussierelemente angebracht, welche die eintretenden Cherenkov-Photonen auf hochauflösende MCP-PMTs (MicroChannel Plate PhotoMultiplier Tubes) abbilden. Hierbei wird die Winkelinformation in eine Ortsinformation umgewandelt, welche eine direkte Berechnung des Cherenkov-Winkels ermöglicht. Auftretende Dispersionseffekte werden mit Hilfe eines optischen Filters reduziert. Die zuvor genannten MCP-PMTs sind dabei in der Lage, einzelne Photonen zu registrieren.
Die hohen Photonen-Raten in PANDA erfordern eine schnelle Datenaufnahme, die mit Hilfe von ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) realisiert wird. Algorithmen zur Rekonstruktion ermöglichen schließlich eine effiziente und präzise Identifikation der geladenen Teilchen.

Die Entwicklung des Disc DIRC Detektors stellte die Arbeitsgruppe vor vielfältige Herausforderungen in verschiedenen Bereichen der Physik und Technologie, die nur in Zusammenarbeit mit spezialisierten Firmen gelöst werden konnten. Hier die wichtigsten Komponenten: 

  • Optisches Transportsystem: Präziser optischer Transport und Fokussierung des Cherenkov Lichts. Dabei musste die Winkelinformation der Flugrichtung der Photonen über Strecken von mehr als einem Meter und nach bis zu 100 Reflexionen erhalten bleiben. 
  • Photonendetektoren: Die Fotosensoren mussten in der Lage sein, die Position einzelner Photonen auf 0,5 mm genau zu messen. Dabei wird eine Zeitauflösung von etwa 100 ps bei Raten von mehr als 1 MHz erreicht.
  • Ausleseelektronik: Die Ausleseelektronik muss in der Lage sein, die Signale von über 28.000 Pixeln mit einer Rate von ca. 60 kHz pro Pixel auszulesen und zu verarbeiten. 
  • Simulationen und Tests: Insgesamt musste der Detektor so konzipiert werden, dass die Auflösung des Cherenkov-Winkels besser als 2 mrad ist.

Derzeit wird an der Erstellung eines Technischen Design Reports gearbeitet. Dieser entsteht auf Basis von umfangreichen Computersimulationen einerseits und diversen Prototypen andererseits, die die Arbeitsgruppe in Teilchenstrahl-Experimenten am CERN und am DESY getestet hat.