Diese Arbeit beschreibt die Forschung und Entwicklung für ein hadronisches Kalorimeterkonzept für den International Linear Collider (ILC). Die Anforderungen an einen Detektor für den ILC sind bestimmt vom Particle-Flow Konzept. Particle-Flow versucht die Jet-Energieauflösung, durch die Rekonstruktion aller beteiligten Teilchen zu optimieren. Die Hauptanforderung an das Kalorimetersystem besteht in einer hohen Fähigkeit der Schauertrennung, welche durch eine beispiellose Granularität erreicht werden kann. Die Bestätigung der bekannten Simulationsmodelle, die zur Detektoroptimierung verwendet werden, ist wichtig, um den ILC Detektor zu optimieren. Der Bau und Betrieb eines Kalorimetersystems mit extrem hoher Granularität kann helfen, um diese Bestätigung zu erreichen. Dieser Zusammenhang motiviert die dringende Notwendigkeit von Forschung und Entwicklung an Kalorimeterprototypen, um ein solches System zu realisieren. Eine mögliche Realisierung eines solchen Systems beinhaltet als hadronisches Kalorimeter ein Samplingkalorimeter aus Stahlabsorber und Plastikszintillator mit analoger elektronischer Auslese. Die sensitiven Szintillatorlagen sind wiederum in einzelne Ziegel unterteilt, um die nötige laterale Granularität zu erreichen. Ein neu entwickelter Photodetektor, basierend auf einer Siliziumstruktur (SiPM), bietet die Möglichkeit, das produzierte Szintillationslicht bereits an der Szintillatorlage auszulesen und in ein elektronisches Signal zu konvertieren. Die grundlegende Entwicklung des Szintillator und Ziegelsystems, sowie Studien mit Photodetektoren legen die Basis zum Bau eines Vielkanal-Prototypens.
Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit liegt auf der Konstruktion und Inbetriebnahme eines hadronischen Kalorimeterprototypens bestehend aus ~8000 Kanälen mit SiPM-Auslese. Die kleinste Kalorimetereinheit besteht aus dem Szintillatorziegel, bereits verbunden mit dem SiPM. Die Produktion und Charakterisierung dieses Systems hat zentrale Bedeutung bei der Konstruktion des gesamten Prototypen. Die einzelnen Ziegeln werden in den Ausleselagen angeordnet und jede Lage bildet bereits ein Vielkanalsystem von ungefähr ~200 Auslesekanälen. Eine zusätzliche Anforderung besteht in der Entwicklung von geeigneter und an das SiPM Signal angepasster Ausleseelektronik. Die Charakterisierung der Auslesekette und das Zusammenspiel mit dem SiPM bildet einen zentralen Anteil bei der Inbetriebnahme des Prototypens. Erste Betriebserfahrungen mit diesem System wurden an der DESY Teststrahleinrichtung gewonnen. Die Kalibrationsprozedur wurde untersucht und an Daten von elektromagnetischen Schauern angewendet. Danach wurden die Ausleselagen in Kombination mit der Stahlabsorberstruktur an einem Hadronteststrahl am CERN getestet. Die hohe Granularität des Kalorimeterprototypens ermöglicht erstmals überhaupt die innere Struktur von hadronischen Schauern aufzulösen. Dies eröffnet für die Zukunft die Möglichkeit des Vergleichs dieser Eigenschaften mit den existierenden Simulationsprogrammen für hadronische Schauer, um ein besseres Verständnis der grundlegenden Prozesse von hadronischer Wechselwirkung mit Materie zu erreichen.
This thesis discusses research and development studies performed for a hadronic calorimeter concept for the International Linear Collider (ILC). The requirements for a detector for the ILC are defined by the particle-flow concept in which the overall detector performance for jet reconstruction is optimised by reconstructing each particle individually. The calorimeter system has to have unprecedented granularity to fulfil the task of shower separation. The validation of the shower models used to simulate the detector performance is mandatory for the design and optimisation of the ILC detector. The construction and operation of a highly granular test-beam system will serve as a tool for this validation. This motivates the urgent need of research and development on calorimeter prototypes. One possible realisation of the hadronic calorimeter is based on a sampling structure of steel and plastic scintillator with analogue readout, where the sensitive scintillator layers are divided into tiles. A newly developed silicon based photo-detector (SiPM) offers the possibilities to design such a system. The SiPM is a multi-pixel avalanche photo-diode operated in Geiger mode. Due to its small dimensions it is possible to convert the light produced in the calorimeter to an electronic signal already inside the calorimeter volume. The basic developments on scintillator, tile and photo-detector studies provide the basis for prototype construction.
The main part of this thesis will discuss the construction and first commissioning of an analogue hadronic calorimeter prototype consisting of ~8000 channels read out with SiPMs. The smallest calorimeter unit is the tile system including the SiPM. The production and characterisation chain of this unit is an essential step in the construction of a large scale prototype. These basic units are arranged on readout layers, which are already a multi-channel system of ~200 channels. In addition, the new photo-detector requires dedicated readout electronics, which has to be suitable for the SiPM signal. Understanding the characteristics of the electronic chain and its interplay with the SiPM has been a central part of the commissioning effort. First working experience with complete readout layers have been gained at DESY. The calibration procedure of the system has been studied by using well understood electromagnetic shower processes. Afterwards, the readout layers in combination with the steel absorber structure has been exposed to a hadronic test beam at the CERN facility. The fine segmentation of this calorimeter prototype gives for the first time the possibility to access intrinsic properties of hadronic showers. These properties can be used later to compare and validate various existing hadronic shower simulations to achieve a better understanding of the underlying processes of hadronic interactions in matter.