Development of the Fast Timing PANDA Barrel Time-of-Flight Detector

Abstract

The Barrel Time-of-Flight Detector (B-ToF) is a timing detector for the PANDA experiment which is currently under construction at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany. In fixed target pp collisions, with antiprotons accelerated up to a momentum of 15 GeV/c producing a center of mass energy of up to 5.5 GeV, open questions of hadron physics will be studied. This effort includes charmonium spectroscopy and the search for exotics and hybrids as well as the study of hypernuclei and of hadrons in matter. In this context the B-ToF complements the particle identification information of the DIRC detectors and provides valuable information for particles in the lower momentum range up to about 1 GeV/c via relative time-of-flight measurements.A >1800mm long transmission line PCB connects the SiPMs on the scintillators to the front-end electronics and provides mechanical support to the scintillator tiles acts as the backbone of the detector. In order to determine the best performing layout three prototype iterations are examined and tested for the crosstalk level and signal attenuation effects. While the crosstalk is negligible in all design iterations an amplitude reduction of (11.7 ± 0.5)% is observed for the newest board prototype using low loss materials. This is well above the attenuation of a standard coaxial cable. The employed connections lead to a doubling of the signal rise time. The effect of this on the time resolution is yet to be determined.To achieve intended functionality a highly granular and efficient detector design is necessary providing a time resolution of below 100 ps. The detector is made up of 16 identical sections each carrying 120 scintillating tiles, which are read out by an array of four SiPMs connected in series.This work presents time resolution scans using a 90Sr source over the entire scintillator surface in order to evaluate the detector performance and determine the optimal scintillator tile thickness. Comparing four 3mm to 6mm thick scintillator tiles, the measurements show that a 5mm thick scintillator providing a mean time resolution of 52.3 ps with a spread of ±5.9 ps over the entire surface, is the optimal choice for the detector. In addition the performance was verified in test beam measurements at the T9 beamline at CERN under conditions closer to the expected conditions in Panda using mixed particle beam mainly containing pions and kaons. Time resolutions of (55.8 ± 4.3) ps to (80.1 ± 1.5) ps were measured for detector modules utilizing SiPMs by different manufacturers. Der Barrel Time-of-Flight Detektor (B-ToF) ist ein Timing-Detektor für das PANDA Experiment, das derzeit an der Facility for Anitproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Deutschland, gebaut wird. Offene Fragen der Hadronenphysik werden in fixed-target pp Kollisionen untersucht. Für diese werden Antiprotonen bis zu einem Impuls von 15 GeV/c beschleunigt und dabei eine Schwerpunktsenergie von bis zu 5.5 GeV erzeugt. Die untersuchten Themen umfassen die Charmonium-Spektroskopie und die Suche nach exotischen Teilchen und Hybriden, sowie die Untersuchung von Hyperkernen und von Hadronen in der Materie. In diesem Zusammenhang ergänzt der B-ToF die Teilchenidentifikationsinformation der DIRC-Detektoren und liefert durch relative Flugzeitmessungen wertvolle Informationen über Teilchen im unteren Impulsbereich bis etwa 1 GeV/c.Eine >1800 mm lange Leiterplatte verbindet die SiPMs auf den Szintillatoren zur Front-End-Elektronik, bietet mechanische Unterstützung für die Szintillatorkacheln und fungiert als Rückgrat des Detektors. Um das optimale Layout zu bestimmen werden drei Prototyp-Iterationen getestet und auf die Crosstalk-Stärke sowie das Ausmaß der Signaldämpfungseffekte untersucht. Während das Übersprechen in allen Design-Iterationen vernachlässigbar ist, kann eine Amplitudenreduktion von (11.7 ± 0.5) % für den neuesten Leiterplatten-Prototypen unter Verwendung verlustarmer Materialien beobachtet werden. Dies liegt weit über der Dämpfung eines koaxialen Standard Kabel. Große Signalanstiegszeiterhöhungen aufgrund der verwendeten Steckverbinder führen zu einer Verdoppelung der Anstiegszeit. Das Ausmaß dieser Effekte auf die Zeitauflösung ist jedoch noch zu bestimmen.Um die angestrebte Funktionalität zu erreichen, ist ein hochgranulares und effizientes Detektordesign mit einer Zeitauflösung von unter 100 ps erforderlich. Der Detektor besteht aus 16 identischen Abschnitten mit jeweils 120 szintillierenden Kacheln, die von einem Array aus vier in Reihe geschalteten Silicon Photomultiplier (SiPMs) ausgelesen werden.Diese Arbeit präsentiert Zeitauflösungsscans mit einer 90Sr-Quelle über die gesamte Szintillatorfläche, um die Detektorleistung zu bewerten und die optimale Dicke der Szintillatorkacheln zu bestimmen. Im Vergleich von vier 3 mm bis 6 mm dicken Szintillatorkacheln, zeigen die Messungen, dass ein 5 mm dicker Szintillator, der eine mittlere Zeitauflösung von 52,3 ps mit einer Streuung von ± 5,9 ps über die gesamte Oberfläche, die optimale Wahl für den Detektor darstellt. Zusätzlich wurde die Leistung in Tests an der T9-beamline am CERN unter Bedingungen näher an den zu erwarteten Bedingungen in Panda verifiziert. Unter Verwendung eines Mischteilchenstrahls, der hauptsächlich Pionen und Kaonen enthält, wurden drei Szintillator Module mit SiPMs verschiedener Hersteller untersucht. Zeitauflösungen von (55.8 ± 4.3) ps bis (80.1 ± 1.5) ps wurden für Detektormodule gemessen.