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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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Der Panda Detektor
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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Der Panda Detektor
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
Der alte Aufbau als erster Versuch
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Der neue Aufbau
Einige Elemente aus dem 3D-Drucker
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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HV-Module
Hochspannung
Hochspannungs-
versorgung der APDs
1kV-Module mit
genauer Spannungs-
und Stromauslese
Jede APD mit
eigener Regelung
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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Messungen gepulst im Vergleich
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
19Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
Messungen gepulst im Vergleich
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
Messungen gepulst im Vergleich
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Messungen AC und DC
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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Messungen Lichtpulser mit versch. Intensitäten
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
Messungen Lichtpulser mit versch. Intensitäten
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Matching
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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Matching
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
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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
Aufbau eines Teststandes zur Vermessung von Avalanche-Photodioden | Jan Haase | Bochum | 2. Februar 2016
Fazit