KIP publications

 
year 2021
author(s) Erik Warttmann
title Timing with the KLauS6 ASIC and Neutron-Photon Discrimination Methods in a Silicon Photomultiplier-on-tile setup
KIP-Nummer HD-KIP 21-83
KIP-Gruppe(n) F11
document type Masterarbeit
Abstract (de)

Die CALICE Kollaboration entwickelt Detektorkonzepte zur Messung von Jet-Energien mit der best möglichen Auflösung unter Verwendung von Particle-Flow Algorithmen. Diese Anwendung benötigt hohe Granularität und Kompaktheit mit voll integrierter Ausleseelektronik. Der in Heidelberg entwickelte ”Kanäle zur Ladungsauslese von Silizium Photomultipliern” (KLauS) Anwendungsspezifische-Integrierte-Schaltkreis (ASIC), liefert genaue Ladungsmessung für diese Anwendung und bietet zusätzliche präzise Zeitmessung um die Jet-Energie Messung weiter zu verbessern. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Zeitauflösung eines Versuchsaufbaus mit szintillierenden Kacheln und Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen vom KLauS ASIC, zu messen. Dafür wird die notwendige Kalibrationsroutine und die entsprechende Timewalk Korrektur präsentiert. Die Zeitauflösung dieses Aufbaus wurde am DESY, Hamburg mit und ohne Absorbermaterial gemessen. Sie beträgt ungefähr 600 ps ohne und 420 ps mit Absorber bei einer intrinsischen Auflösung von unter 100 ps. Zusätzlich zu guter Zeitauflösung sondiert diese Arbeit die Möglichkeit von Teilchenidentifikation über die Unterscheidung der Signalform in neuen Szintillatormaterialien für das elektromagnetische Kalorimeter im DUNE Nah-Detektor. Besonders interessant ist die Unterscheidung von Neutronen und Photonen im Kalorimeter zur Rekonstruktion des Neutrinostrahls. Zuletzt stellt diese Arbeit die Anwendung von bestehenden Simulationsprogrammen zur Unterscheidung von Signalformen von Neutronen und Photonen in einer Simualtion von szintillierenden Kacheln mit Auslese über einen SiPM vor. Verschiedene Optimierungen der Simulationsparameter werden präsentiert.

Abstract (en)

The CALICE collaboration develops calorimeter concepts for the measurement of jet energies with highest possible precision by optimizing the detector for the use of Particle-Flow algorithms. This application requires high granularity and compactness with fully integrated readout electronics. The ”Kanäle zur Ladungsauslese von Silizium Photomultipliern” (KLauS) Application-Specific-Integrated-Circuit (ASIC), which has been designed in Heidelberg specially for this application, offers additionally precise time information to improve the jet energy resolution. The aim of this thesis is benchmarking the timing performance of a silicon photomultiplier (SiPM)- on-tile setup for hadronic calorimeters by utilising the KLauS ASIC as readout chip. For this purpose a detailed calibration routine and timewalk correction are presented. The timing performance is measured with testbeam data from DESY, Hamburg to be around 600 ps without and around 420 ps with absorber, dominated by the scintillator system. The intrinsic resolution of the setup is below 100 ps. In addition to fast timing, this work explores the possibility of particle identification via pulse shape discrimination in new scintillator materials in the context of the DUNE near detector electromagnetic calorimeter. In particular, discriminating neutrons and photons in the calorimeter is desired for the reconstruction of the neutrino flux. Finally, this work showcases the modification of an existing detector simulation for pulse shape discrimination between neutrons and photons in a SiPM-on-tile setup. Optimization of simulation parameters, as well as first results on the simulated detector response, are presented.

bibtex
@mastersthesis{WarttmannMaster,
  author   = {Erik Warttmann},
  title    = {Timing with the KLauS6 ASIC and Neutron-Photon Discrimination Methods in a Silicon Photomultiplier-on-tile setup},
  school   = {Universit├Ąt Heidelberg},
  year     = {2021},
  type     = {Masterarbeit}
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