Nachweis geladener Teilchen mit PbWO4

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde einerseits der Nachweis geladener Teilchen und das Auflösungsvermögen für hochenergetische Protonen(~1 GeV) mit einer Bleiwolframat -Matrix, andererseits in einer vergleichenden Studie das Auflösungsvermögen von Einzelkristallenunterschiedlicher Qualität und Geometrie aus Bleiwolframat, Cerfluorid und Bariumfluorid für niederenergetische Protonen (< 100 MeV)untersucht. Dazu wurden Experimente an den Beschleunigern COSY am FZ Jülich und AGOR am KVI in Groningen durchgeführt. Am Beschleuniger COSY war ein parasitärer Protonenstrahl mit einer Energie von 1,2 GeV verfügbar, der auf ein Aluminiumtargetgerichtet wurde. Die geladenen Reaktionsprodukte wurden mit Hilfe einer PbWO4-Matrix, die aus 25 Einzelkristallen besteht, unter ~ 8°relativ zur Strahlrichtung detektiert. Durch eine Flugzeitmessung war es möglich, geladene Pionen und Kaonen, sowie Protonen undDeuteronen zu unterscheiden. Für Protonen, die in 15 cm PbWO4 gerade noch gestoppt werden, wurde das Auflösungsvermögen derDetektormatrix bestimmt. Dieses Ergebnis ist mit dem früher gemessenen Auflösungsvermögen für Photonen vergleichbar. Erstmalswurden quantitativ nichtlineare Effekte in der Detektorresponse für geladene Hadronen nachgewiesen. Es zeigt sich, daß dieSzintillationsausbeute für Protonen um einen Faktor > 3 im Vergleich zu Pionen gleicher Energie reduziert wird. Am Beschleuniger AGOR stand ein H2+-Strahl mit einer Energie von 170 MeV zur Verfügung, der es erlaubte, an Kohlenstoff- undCH2-Targets elastisch und inelastisch gestreute Protonen mit Energien bis zu 85 MeV zu spektroskopieren. Wie erwartet konntenexzellente Energieauflösungen für BaF2 (~1%) und CeF3 (1,3 - 2,4%) erzielt werden, die in beiden Fällen deutlich besser als für Photonengleicher Energie sind. Die Ergebnisse für PbWO4 (4,3 - 6,7%) bestätigen die zuvor an COSY gemessenen Daten, wobei ein mit Molybdändotierter Testkristall eine deutlich bessere Auflösung zeigt. Die Meßdaten bestätigen die Anwendbarkeit von PbWO4 alsSzintillatormaterial zum Teilchennachweis auch für den Mittel- und Niederenergiebereich, wobei sich hier die Vorteile eines kompaktenDetektoraufbaus anbieten. Außerdem wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit erste Testmessungen mit PbWO4-Kristallen von (32x32) mm2 Querschnittsflächedurchgeführt. Die Qualität dieser in dieser Größe erst kürzlich verfügbar gewordenen Kristalle erfüllt die generellen Anforderungen für dengeplanten Photonendetektor Photon Ball am ANKE Magnetspektrometer des COSY-Beschleunigers. Subject of this survey was on the one hand the detection of high energetic charged particles with a matrix consisting of 25 leadtungstatecrystals and the determination of the energy resolution for high energetic protons, on the other hand a comparative study of the resolution forlow energetic protons (< 100 MeV) of single crystals of different quality and shape made of leadtungstate, ceriumfluoride andbariumfluoride. Therefore, experiments were carried out at the acclerator facilities COSY, located at the FZ Jülich, and AGOR at KVI in Groningen, theNetherlands. At the COSY-facility a 1.2 GeV external proton beam was hitting onto an aluminum target and the scattered protons as well as chargedreaction products were detected with the PWO matrix, located in 3 m distance at an angle of app. 9° relative to the beam axis. Thediscrimination of pions, kaons, protons and deuterons was basec on time of flight measurement using a fast plastic scintillator as startcounter. For protons, which are fully stopped within the crystal (~ 15 cm length) the resolution of the whole matrix was determined. Theachieved result is comparable to values obtained for electromagnetic probes. For the first time nonlinear effects in the detector responsefor charged pions were observed quantitatively. The scintillation light initiated by protons is significantly reduced by a factor > 3 comparedto the response of pions of identical energy. At the AGOR facility a H2+ beam of 170 MeV kinetic energy was directed onto C and CH2 targets and the elastically and inelasticallyscattered protons were measured at forward angles. As expected, excellent resolutions for BaF2 (~1%) and CeF3 (1,3 - 2,4%) wereobtained. The results for leadtungstate (4,3 - 6,7%) corroborate the previous measurements at COSY. The results verify the applicability ofleadtungstate as a scintillator material also for charged particle detection in the low and medium energy regime with the advantage to allowa very compact detector design. In addition, first test measurements of leadtungstate crystals with (32x32) mm2 cross-section were carried out in respect to their opticalproperties. Crystals of such large cross-sections became only recently available. The tested samples met the requirements of the plannedphoton detector Photon Ball which will be build as an upgrade of the ANKE detector at the COSY facility.