Optimization of the influence of longitudinal and lateral non-uniformity on the performance of an electromagnetic calorimeter

Abstract

Electromagnetic calorimeters (EMCs) are one of the key components of present and future hadron and particle physics experiments, since they provide the only possibility for an accurate and efficient energy measurement of electromagnetic probes. The PANDA detector which is planned to be operated at the High Energy Storage Ring (HESR) of the future Facility for Anti-Proton and Ion Research (FAIR) at Darmstadt to study the interaction of cooled anti-protons with a fixed target will apply two different calorimeter concepts. In the target spectrometer, covering the region around the interaction point, a calorimeter based on inorganic scintillation crystals made of lead-tungstate (PbWO4), arranged as a barrel with caps on both sides will be installed to achieve a compact design and an excellent energy resolution. The most forward angles of the setup will be covered by a separate forward spectrometer. In this part, a shashlyk type sampling calorimeter will be implemented. A special advantage for both calorimeters is the coverage of the large dynamic range from 10 MeV up to 15 GeV. Despite the different concepts, the performance of both detectors can be limited by a lateral and longitudinal inhomogeneity of the energy response. This work will discuss the influence of such inhomogeneities on the resolutions of the calorimeters and present concepts to minimize their impact and to improve the performance. For the shashlyk EMC a significant improvement of the lateral homogeneity and a reduction of the light attenuation variation in the modules has been achieved by a new, improved design of the shashlyk modules. With these improvements the lateral inhomogeneity could be reduced from up to ± 17 % to less than ± 2 %. To further optimize the energy resolution, different feature extraction and calibration methods are compared. As a result of all optimizations, a significant improvement of the energy and position resolution has been achieved in the energy range below 1 GeV. Altogether it has been proven for the first time that the shashlyk calorimeter of the PANDA detector provides a sufficient performance for the detection of low energetic photons at least down to an energy of 50 MeV. To reproduce the experimental results and to study the impact of different aspects on the energy resolution, the shashlyk EMC prototype has been implemented in GEANT4 and different models for the reproduction of the experimental energy resolution have been compared. For the performance of the barrel part of the target EMC, a special focus has to be set to the energy region below 1 GeV, since most of the detected photons will be in this range. A first crucial parameter for this energy region is the electronic noise. For the current version of the front-end electronics ASIC (APFEL), which is foreseen for the readout of the Avalanche Photo Diodes (APDs) glued to the rear face of the lead tungstate crystals, it has been shown for the first time that a standard deviation of the electronic noise of less than 1 MeV can be achieved. The comparison of different feature extraction methods showed that a fit of the pulse-shape can improve the energy resolution at energies below 100 MeV compared to a simple peak sensing feature extraction. The main focus of this work is set on the investigation of the influence of the non-uniformity in light collection on the energy resolution. This non-uniformity is introduced by a focusing of the scintillation light due to the tapered side faces of the crystals and causes a position dependence of the energy response, which finally leads to a non-linear response and a deterioration of the energy resolution. It has been shown that a de-polishing of the most tapered lateral side face to an average roughness of 0.3 µm reduces the non-uniformity in light collection of type 2 crystals from originally around 30 % down to a level of less than 5 %. Based on these de-polished crystals, implemented as a 3 × 3 sub-array in the current barrel EMC prototype, the influence of the light collection uniformity on the energy resolution for energies below 1 GeV has been investigated for the first time. It has been proven experimentally that a reduction of the non-uniformity by the de-polishing procedure improves the relative energy resolution for energies above 200 MeV, while the energy resolution between 50 MeV and 200 MeV stays approximately at the same level and only a slight deterioration is expected for energies below 50 MeV. Especially the constant term of the parametrization of the energy resolution has been reduced from more than 2 % to 0.5 % in case of de-polished crystals. To provide a more detailed study of the influence of the non-uniformity on the energy resolution and to obtain a calibration of the prototype with cosmic muons, a detailed model of the current barrel EMC prototype, including the scintillation process and the light collection has been implemented in GEANT4. Elektromagnetische Kalorimeter (EMC) gehören zu den Schlüsselkomponenten aktueller und zukünftiger Experimente der Hadronen- und Teilchenphysik, da sie die einzige Möglichkeit zur präzisen Energiemessung von Photonen und anderen elektromagnetischen Proben darstellen. Der PANDA Detektor, welcher zur Untersuchung der Wechselwirkung eines gekühlten Anti-Protonenstrahls mit einem ruhenden Target am Hochenergie-Speicherring (HESR) der geplanten Einrichtung für Anti-Protonen- und Ionen-Forschung (FAIR) in Darmstadt eingesetzt werden soll, wird zwei verschiedenen Kalorimeter enthalten. Im Target-Spektrometer, welches die Region um den Interaktionspunkt abdeckt, kommt ein auf anorganischen Szintillationskristallen aus Bleiwolframat basierendes Kalorimeter zum Einsatz. Der Bereich der kleinsten Vorwärtswinkel des Aufbaus wird durch ein separates Vorwärts-Spektrometer abgedeckt, in welchem ein Shashlyk-Typ Sampling-Kalorimeter eingesetzt wird. Neben der Art des Kalorimeters wird die Performance der beiden Detektoren auch durch die laterale und longitudinale Homogenität des Energieansprechverhaltens maßgeblich bestimmt. In dieser Arbeit soll daher der Einfluss von Inhomogenitätseffekten auf die Energieauflösung der Kalorimeter diskutiert werden. Weiterhin werden Ansätze zur Minimierung der Nicht-Linearität und zur Verbesserung der Performance beider Kalorimeter vorgestellt. Im Fall des Shashlyk-Kalorimeters konnte eine Verbesserung der lateralen Inhomogenität sowie eine Verringerung der Lichtabschwächung in den Modulen durch ein neues, verbessertes Design der Shashlyk-Module erreicht werden. Durch diese Optimierungen konnte die laterale Inhomogenität von mehr als ± 17 % auf weniger als ± 2 % reduziert werden. Zusammen mit weiteren Optimierungen konnte eine signifikante Verbesserung der Energie- und Ortsauflösung im Energiebereich unterhalb von 1 GeV erreicht werden. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass das Shashlyk-Kalorimeter des PANDA Detektors in der Lage ist, Photonen im Energiebereich unterhalb von 1 GeV, zumindest bis zu Minimalenergien von 50 MeV, mit einer ausreichenden Energieauflösung nachzuweisen. Bei der Optimierung des Ansprechverhaltens der Fasskomponente des elektromagnetischen Kalorimeters des Target-Spektrometers muss ein besonderes Augenmerk auf den Energiebereich unterhalb von 1 GeV gelegt werden, da ein Großteil der nachzuweisenden Photonen in diesem Bereich erwartet wird. Einer der kritischen Parameter bei niedrigen Photonenenergien ist das Untergrundrauschen der Elektronik. Für die aktuelle Version des ASIC, welcher für die Auslese der beiden auf die Rückseite der Bleiwolframat-Kristalle geklebten Lawinen-Photo-Dioden (APD) gedacht ist, konnte erstmals gezeigt werden, dass eine Standardabweichung des elektronischen Rauschen von unter 1 MeV erreicht werden kann. Der Vergleich verschiedener Methoden zur Extraktion der Energieinformation aus der Signalform hat gezeigt, dass ein Fit der Signalform im Vergleich zu einer einfachen Suche des Maximums eine Verbesserung der Energieauflösung im Energiebereich unterhalb von 100 MeV bewirkt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Einflusses der Nichtlinearität der Lichtsammlung auf die Energieauflösung. Diese Nicht-Linearität wird durch die Fokussierung des Szintillationslichtes an der abgeschrägten Seitenfläche des Kristalls ausgelöst und bewirkt eine Positionsabhängigkeit des Energie-Ansprechverhaltens, welches letztendlich zu einer nicht-linearen Energierekonstruktion und zu einer Verschlechterung der Energieauflösung führt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Aufrauen der am stärksten abgeschrägten Seite des Kristalls mit einer mittleren Rauigkeit von 0.3 µm eine Reduktion der Nicht-Linearität der Lichtsammlung von Typ 2 Kristallen von ursprünglich etwa 30 % bis auf unter 5 % bewirkt. Basierend auf den aufgerauten Kristallen, welche als eine 3 × 3 Untereinheit in den aktuellen Prototypen des Fassteils des EMC eingebaut wurden, konnte der Einfluss der Uniformität der Lichtsammlung auf die Energieauflösung erstmals im Energiebereich unterhalb von 1 GeV untersucht werden. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Reduktion der Nicht-Linearität durch das Aufrauen der Seitenfläche die relative Energieauflösung im Energiebereich oberhalb von 200 MeV verbessert, während die Energieauflösung für Energien zwischen 50 MeV und 200 MeV in etwa gleich bleibt und im Energiebereich unterhalb von 50 MeV nur eine geringe Verschlechterung zu beobachten ist. Insbesondere der konstante Term der Parametrisierung der Energieauflösung konnte von mehr als 2 % für komplett polierte Kristalle auf 0.5 % für Kristalle mit einer aufgerauten Seitenfläche reduziert werden. Um ein besseres Verständnis des Einflusses der Nicht-Linearität der Lichtsammlung auf die Energieauflösung zu erhalten und um eine Eichung des Prototypen mit kosmischen Myonen zu ermöglichen, wurde ein detailliertes Modell des aktuellen Prototypen in GEANT4 implementiert.