Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche ...ep1.rub.de/lehre/veranstaltungen/ws1516/semexp/vortraege/... · Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) sorgt für interne Verstärkung

Aufbau eines Teststandes zur

Vermessung von Avalanche-Photodioden

Seminarvortrag zur Masterarbeit

2.2.2016Fakultät für Physik und Astronomie

Institut für Experimentalphysik I

Hadronenphysik

Jan Haase

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Das Panda Experiment

Panda Kollaboration wurde 2002 gegründet

Panda-Experiment als Schlüsselexperiment

am zukünftigen Beschleunigerzentrum FAIR

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

in Darmstadt

Antiprotonen werden auf Protonentarget geschossen

Impulsbereich von 1,5 bis 15 GeV/c

Wie wird Masse durch die starke WW zwischen Quarks generiert?

Untersuchung von Gluonenbällen

Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016

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Fair

Facility for Antiproton and Ion Research

3000 Wissenschaftler aus ca. 50 Ländern

Kooperation aus 10 Mitgliedsstaaten

Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Slowenien,

Schweden, Vereinigtes Königreich tragen 30% der Konstruktionskosten


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Der Panda Detektor


5

Der Panda Detektor


106 Annihilationen pro Sekunde

Fixed Target

Möglichkeit eines Cluster-Jet-Targets

oder Pellet-Target

Design demnach angepasst, dass

Großteil der Reaktionsprodukte unter

kleinem Winkel emittiert werden

Unterteilt in Target-Spektrometer und

Forward-Spektrometer

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Das EMC

Elektromagnetisches Kalorimeter

Szintillationsmaterial: PbWo4

Bleiwolframatkristalle: 2 cm x 2 cm x 20cm

Zeitauflösung: < 20 ns

Anzahl an Kristallen: 15552

Winkelabdeckung: 96% 4 𝜋

Bestehend aus fassförmigen

Teil und zwei Endkappen


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Vorwärtsendkappe des EMC

Bochum ist maßgeblich am Bau beteiligt

3600 Kristalle

PWO-Kristalle für bessere Lichtausbeute

bei -25° (ca. 4x zu +25°C)

-> komplette Elektronik auch bei -25°C

Magnetfeld bis 2T

Energiebereich: 10 MeV bis 15 GeV

Innerer Bereich: Vakuumphototetroden

(VPTT) -> strahlenhart

Äußerer Bereich: Avalanche Photodioden

(APD) -> magnetfeldunabhängig


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Avalanche-Photodiode (APD)

Lawinenphotodiode

zählen zu den Avalanche-Dioden

Halbleiteräquivalent zu einem

Photomultiplier

Hochempfindlich und schnell

Unbeeinflusst durch Magnetfeld

Temperaturabhängig


Bild einer APD, wie sie im späteren Panda-Experiment verwendet wird.Maße: 6,8mm x 14 mm

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Avalanche-Photodiode (APD)

Lawinenphotodiode

nutzen inneren Photoeffekt zur

Ladungsträgererzeugung

Lawinendurchbruch (Avalanche-

Effekt) sorgt für interne Verstärkung

Multiplikation durch Stoßionisation

freier LadungsträgerAufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016

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Der neue Aufbau

2 Aufbauten zum Vermessen von

insgesamt 32 APDs gleichzeitig

Direkte Kontaktierung der APDs

steckbar an die Vorverstärker

Vorverstärker leicht austauschbar

HV, LV und Signalkabel mit Anschlüssen

auf großer Platine


Der alte Aufbau als erster Versuch

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Der neue Aufbau

Einige Elemente aus dem 3D-Drucker


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Die DC-Lichtquelle

Konstantstromlichtquelle

Betrieb mit spannungsstabilisiertem

Netzteil und Vorwiderstand

2 LEDs zum Beleuchten der

Faserbündel

Durch DC-Lichtquelle Vermessung der

APDs rein über Spannung und Strom

möglich


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Der Lichtpulser

Simulierung des späteren

Szintillationslichtes

Regulierung der

Lichtintensität über LCDs

-> 10 MeV bis 12 GeV

Betrieb mit blauer, roter

und grüner LED möglich

Hier mit blauer LED und

30 Hz

Später als Kontrollsystem

im PANDA-Experiment


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Preamps

Vorverstärker

Benötigt bei gepulster Lichtquelle

Direkte Kontaktierung der APDs über Pfostenfeld

Signalkabel direkt über Lemo angeschlossen

LV und HV über Stecker auf große Versorgungsplatine

Entwicklung der Uni Basel speziell für das PANDA-Experiment

Für den Aufbau Modifizierte Version mit weniger Rauschen, dafür aber auch

nur geringe Rate möglich


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HV-Module

Hochspannung

Hochspannungs-

versorgung der APDs

1kV-Module mit

genauer Spannungs-

und Stromauslese

Jede APD mit

eigener Regelung


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ADCs

Analog-Digital-Converter

Digitalisierung der Signale

VME-Crade über Lichtleiter

am PC

ADC-Module:

SIS 3302

CAEN 1724


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Temperaturprüfschrank

(Kühlschrank)

CTS – Clima

Temperature System

Temperaturbereich:

-40°C bis 180°C

Ansteuerung über TCP

(Netzwerk)

Einstellen von zeitlichen

Temperaturgradienten

möglich


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Messungen gepulst im Vergleich


19Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016


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APDs weisen unterschiedliche Kennlinien

auf

Position von M=200 und Steigung variieren

Von der Kennlinie bei +20°C ist nicht auf die

entsprechende Kennlinie bei -25°C zu

schließen

-> alle APDs müssen bei +20°C und -25°C

vermessen werden



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Messungen AC und DC


0711006226

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APDs weisen unterschiedliche Kennlinien

zwischen gepulstem und konstantem Licht

auf

Die Kennlinie knickt bei gepulstem Licht zu

niedrigen Spannungen hin unter Gain 1 ab

Bei höheren Spannungen ähneln sich die

Kennlinien eher, weisen aber auch kleine

Unterschiede auf

-> alle APDs werden mit DC und gepulsten

Licht vermessen

-> DC Messungen werden zur Normierung

benötigt


Messungen AC und DC

23Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016

0711006226

Messungen Lichtpulser mit versch. Intensitäten

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0721006972

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Bei niedriger Intensität starkes Rauschband

im Bereich von Gain 1

Bei hoher Intensität Aussteuerbereich des

Vorverstärkers zu höheren Gain erreicht

Für die aktuellen Messungen:

Intensität so, das Gain 200 gut erreicht wird

-> Verlust der Genauigkeit bei Gain 1



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Matching


27

Matching


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Es müssen viele APDs vermessen werden, um ein späteres Matching von

8 APDs für eine HV mit guter Genauigkeit zu erreichen

Möglicher Einsatz eines Shaper um im Bereich von Gain 1 bessere

Ergebnisse zu erzielen.

Kontinuierliche Vermessung ist nötig, da eine große Stückzahl vermessen

werden muss (bis 2 Messungen am Tag möglich)

Messungen laufen quasi automatisch, nur Wechseln der APDs nötig


Fazit

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Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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