Developments towards the technical design and prototype evaluation of the PANDA Endcap Disc DIRC

Abstract

The envisaged physics program of the PANDA (antiProton ANnihilation at Darmstadt) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) requires excellent particle identification over the full solid angle. The Endcap Disc DIRC (EDD) will cover forward polar angles between 5 and 22° and is one of three dedicated subdetectors for the identification of charged hadrons and the separation of pions and kaons in particular. DIRCstands for Detection of Internally Reflected Cherenkov light and implies that the emitted Cherenkov photons are trapped inside the radiator by total internal reflection.The central part of each DIRC detector is its optical system which is responsible for a low-loss and angle-preserving transport of the Cherenkov photons. The work at hand experimentally addresses several objectives in connection with the optical components and the system as a whole. Radiator prototypes were evaluated with high precision and adapted specifications were identified based on the results. The imaging performance of the FocusingElements (FELs) was verified and different options regarding the coupling of the individual components were evaluated. In addition a radiation hardness study of a new fused silica material provided an insight into the long term behavior of induced defects and confirmed the material to be suitable for high energy physics experiments.A conceptual design for the mechanical integration was developed featuring a rigid optical system which is mounted into a cross-like structure. In this context the spatial constrains for the holding structure and the FELs were identified and an assembly procedure was developed. The existing prototype was revised and newly developed concepts were integrated and tested.Furthermore a data analysis of an earlier prototype test at a mixed hadron beam at CERN was carried out. It was the first evaluation of an EDD prototype which consisted of optical components made of fused silica only and had highly segmented MCP-PMTs (Micro-Channel Plate PhotoMultiplier Tubes) for the photon detection. A single photon resolution down to 5.68 mrad could be achieved and a good agreement with Monte-Carlo predictions was reached. At 3 GeV/c a 5 sigma separation of pions and protons was accomplished using a single MCP-PMT column. Das PANDA -Experiment (AntiProton Annihilation at Darmstadt) ist eines der Großprojekte der Forschungsanlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), die zur Zeit in Darmstadt gebaut wird. Für das angestrebte Forschungsprogramm des Experiments müssen unter anderem Teilchen über nahezu den kompletten Raumwinkel identifiziert werden können. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Unterscheidung von Pionen und Kaonen, für welchen Zweck drei Cherenkov-Detektoren im PANDA -Experiment verbaut werden. Der Vorwärtsbereich zwischen 5 und 22° wird hierbei vom Endcap Disc DIRC (EDD) abgedeckt. DIRC (Detection of Internally Reflected Cherenkov light) steht für die Detektion von intern-reflektierten Cherenkov-Photonen. In diesem Zusammenhang spielt das optische System eine zentrale Rolle, da es für einen verlustarmen und winkelerhaltenden Transport der Cherenkov-Photonen durch Totalreflexion verantwortlich ist.Die vorliegende Arbeit behandelt verschiedene offene Fragestellungen im Zusammenhang mit den optischen Komponenten und dem System als Ganzes. Hierzu wurden unter anderem Prototype-Radiatoren bezüglich ihres Profils vermessen, wodurch eine Anpassung der Spezifikationen erfolgen konnte. Das Auflösungsvermögen der fokussierenden Lichtleiter (FELs, Focusing ELements) konnte experimentell verifiziert werden und es wurden verschiedeneKopplungsoptionen miteinander verglichen. DesWeiteren konnte eine Langzeitstudie zur Strahlenhärte eines bisher nicht untersuchten synthetischen Quarzglases durchgeführt werden.Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit stellte eine Konzeption zur mechanischen Integration des EDDs dar. Kern dieses Konzeptes ist ein fest zusammenhängendes optisches System, welches mit Hilfe einer über den Detektor gespannten kreuzartigen Halterung befestigt wird. In diesem Zusammenhang wurden außerdem die geometrischen Randbedingungen festgelegt sowie eine Vorgehensweise in Bezug auf die Montage des Detektors erarbeitet. Basierend auf diesen Entwicklungen wurde der bisherige Prototyp nahezu vollständig überarbeitet.Neben den technischen Entwicklungen wurde eine Datenanalyse zu einem Teststrahlexperiment mit einem gemischten Hadronenstrahl am CERN durchgeführt. Der dort verwendete und mittlerweile überarbeitete Prototyp bestand erstmals ausschließlich aus synthetischem Quartzglas gefertigten optischen Komponenten und die Cherenkov-Photonen wurden mit hochauflösenden MCP-PMTs (Micro-Channel Plate PhotoMultiplier Tubes) detektiert. Hierbei wurde eine Einzelphotonenauflösung (single photon resolution) von 5.68 mrad erreicht. Die Messungen hierzu waren in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagendurch Monte-Carlo-Simulationen. Bei einem Teilchenimpuls von 3 GeV/c konnte außerdem eine Unterscheidung von mehr als fünf Standardabweichungen zwischen Pionen und Protonen mit einer einzelnen MCP-PMT-Spalte erreicht werden.