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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94579
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9457/


Time Resolved Imaging Calorimetry

Zeitaufgelöste hadronische Kalorimetry

Laurien, Sebastian Piet

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Basisklassifikation: 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Garutti, Erika (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.09.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 13.12.2018
Kurzfassung auf Englisch: Excellent detectors are needed for a future lepton collider like the international linear collider project (ILC) to exploit their full physics potential. Within the CALICE collaboration, several concepts based on the particle ow reconstruction approach for the hadronic calorimeter are studied. The prototype designs offer unmet spacial resolution as well as the option for hit time reconstruction in the ps regime. After having demonstrated the capabilities of the measurement methods in physics prototypes, the focus now lies on improving their implementation in engineering prototypes, that are scalable to the full linear collider detector. The Analog Hadron Calorimeter (AHCAL) concept is a sampling calorimeter of tungsten or steel absorber plates and plastic scintillator tiles read out by silicon photo-multipliers (SiPMs) as active material. The front- end chips are integrated into the active layers of the calorimeter and are allowing the prototype to be equipped with different types of scintillator tiles as well as SiPMs.
The first part of this thesis covers the development of a new readout option with scintillating tile and novel SiPMs. Four layers with 576 units each, have been equipped with a novel design of scintillator tile. The development and detailed characterization of this new design as well as a first approach to a mass characterization of hundreds of detection units is presented.
Different operation modes are discussed based on the results from the characterization and test beams. The most promising modus of operation is presented. The second part of this thesis focuses on he time resolution capabilities of the Spiroc2b readout chip to measure the hit time of a signal. The the hit time reconstruction in the ns range offers new opportunities to validate and improve current simulations of the development of hadronic showers.The focus lies on the hit time reconstruction and the highest possible time resolution achievable. The calibration strategy to achieve the highest possible resolution with the Spiroc2b chip is presented. Test beam data from different test beams with electrons and 50 GeV pions and 180 GeV pions of an prototype version of one AHCAL layer with the Spiroc2b readout chip is analyzed. The results prove insight in to the time structure of hadronic showers which are compared to Geant4 simulations with different physics list.
Kurzfassung auf Deutsch: Für einen zuküunftigen Leptonen Kollider wie den International Linear Collider (ILC) werden Detektoren mit exzellenter Auflösung benötigt, um das gesamtes physikalische Potential der Maschine ausschöpfen zu können. Im Rahmen der CALICE Kollaboration werden verschiedene Konzepte, basierend auf dem Particle Flow Rekonstruktionsansatz für das hadronische Kalorimeter untersucht. Die verschiedenen Prototypen der hadronischen Kalorimeter bieten eine bisher unerreichte räumliche Auflösung sowie die Möglichkeit der Rekonstruktion der Treffer Zeit im ps Regime. Nachdem die Fähigkeiten des Particle Flow Ansatzes mit mehreren Prototypen validiert wurden, liegt der Fokus der Entwicklung nun auf der Verbesserung der Detektionseinheiten und ihrer Implementierung in technische Prototypen, die auf ein vollständiges HCAL für einen Detektor am ILC skaliert werden können. Das AHCAL Konzept (Analog Hadron Calorimeter) ist ein hadronisches Kalorimeter mit Absorberplatten aus Wolfram oder Stahl und Kunststoffszintillatorkacheln, die von Silizium-Photomultipliern (SiPMs)
ausgelesen werden als aktives Medium. Die Front-End-Chips sind in die aktiven Schichten des Kalorimeters integriert und ermöglichen die Ausstattung des Prototyps mit verschiedenen Arten von Szintillatorkacheln und SiPMs. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer neuen Option von Ausleseeinheiten aus Scintillatorkachel und SiPM. Vier Lagen des neuesten AHCAL Prototypen wurden mit einem neuartigen Design der Universität Hamburg ausgestattet. Die Entwicklung und detaillierte Charakterisierung dieses neuen Designs werden beschrieben. Ein Messaufbau zur Massencharakterisierung von Hunderten von Detektionseinheiten wird vorgestellt. Basierend auf den Ergebnissen der Charakterisierung werden verschiedene Betriebsmodi diskutiert und der vielversprechendste Betriebsmodus
wird ermittelt.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Fähigkeiten der Zeitmessung des Spiroc2b Auslesechips. Die Rekonstruktion der Trefferzeit im ns Bereich bietet neue Möglichkeiten, Simulationen der räumlichen und Zeitlichen Entwicklung hadronischer Schauer zu validieren und zu verbessern. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Rekonstruktion der Trefferzeit und der höchstmöglichen erreichbaren Zeitauflösung. Eine Kalibrierungsstrategie, die alle bekannten Effekte des Spiroc2b berücksichtigt, wird vorgestellt. In verschiedenen Teststrahlen mit Elektronen am DESY und 50 GeV und 180 GeV Pionen am CERN wurden Daten mit einer Lage des Prototypen der neuen Ausleseoption mit 567 Kanälen genommen. Die Analyse der Daten ermöglicht Einblicke in die Zeitstruktur hadronischer Schauer. Die Daten werden mit Geant4 Simulationen, basierend auf unterschiedlichen Physiklisten, verglichen und
bewertet.

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