Nils Gendner, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Kurzfassung
Das ZEUS-Experiment am Elektron(Positron)-Proton-Beschleuniger HERA
plant den Austausch eines kleinen elektromagnetischen Wolfram-Szintillator-
Stichprobenkalorimeters durch ein Kalorimeter aus Bleiwolframatkristallen (PbWO4).
Das Strahlrohrkalorimeter (beampipe calorimeter, BPC) ist sehr nahe
am HERA-Elektronenstrahl angebracht und detektiert unter sehr kleinen Winkeln
gestreute Elektronen.
Das Kalorimeter ermoeglicht Messungen der inelastischen Elektron-Proton-Streuung
in dem interessanten kinematischen Bereich 0.045 ≤ Q2 ≤ 0.80 GeV2
und 3 x 10-7 ≤ x ≤ 10-3, wo der Uebergang von der Photoproduktion
zur tief-inelastischen Streuung erfolgt.
Eine Verbesserung der gegenwaertigen Energieaufloesung von 17 %√(E/GeV)
auf den fuer ein PbWO4-Kalorimeter erwarteten Wert von 5 %√(E/GeV)
wuerde eine sehr viel genauere Messung der Protonstrukturfunktion F2
ermoeglichen und den kinematischen Bereich der Messungen erweitern.
An das sogenannte Crystal BPC werden hohe Anforderungen gestellt:
Der zur Verfuegung stehende Raum ist beschraenkt, die Lichtausbeute muss sehr hoch sein,
die Szintillationslicht-Pulse muessen sehr kurz sein (95 % innerhalb von 96 ns)
und die Kristalle muessen eine hohe Strahlenhaerte aufweisen.
Testmessungen haben gezeigt, dass 20 PbWO4-Kristalle (La dotiert)
mit den Abmessungen 200 x 23.8 x 23.8 mm3, die 1997 aus Bogoroditsk, Russland,
geliefert wurden, den Anforderungen genuegen.
Das Kalorimeter wurde in den endgueltigen Abmessungen (4 x 4 Kristalle) konstruiert
und am CERN in einem SPS-Teststrahl mit Teilchenenergien von 3-100 GeV getestet.
Die Kristalle werden von Miniatur-Photomultipliern ausgelesen, die insensitiv
gegenueber Magnetfeldern sind.
Ein Transmissions-Messsystem, das mit einer Leuchtdiode arbeitet, bewies seine Funktion
anhand von Messungen, wo zwei Kristalle durch bestrahlte Kristalle ausgetauscht wurden
und die Ausheilung beobachtet wurde.
The ZEUS experiment at the electron(positron)/proton collider HERA is planning to replace a small electromagnetic tungsten/scintillator sampling calorimeter by a lead tungstate (PbWO4) crystal calorimeter. The beampipe calorimeter (BPC) directly adjacent to the beam intercepts electrons with small scattering angles. It measures the inelastic electron-proton scattering in the interesting kinematic region 0.045 ≤ Q2 ≤ 0.80 GeV2 and 3 x 10-7 ≤ x ≤ 10-3 where the transition from photoproduction to deep inelastic scattering occurs. An improvement of the current electromagnetic energy resolution from 17 %√(E/GeV) to 5 %√(E/GeV), which is expected for a PbWO4 calorimeter, would result in a much higher precision of for example the proton structure function F2 and would further extend the accessible kinematic region. The so-called Crystal BPC has to meet stringent requirements: the size is restricted, the light yield must be very high, the scintillation light pulses have to be short (95 % within 96 ns), and the crystals have to be sufficiently radiation stable. Bench tests have shown that 20 PbWO4 crystals (La doped) with dimensions 200 x 23.8 x 23.8 mm3 which were received in autumn 1997 from BTCP, Bogoroditsk, Russia, fulfil the demands. A full size calorimeter of 4 x 4 crystals has been built and tested in a CERN SPS beam with energies 3-100 GeV. The crystals are read out by small photomultipliers which can work in a magnetic field. A LED transmission monitoring system proved its functionality when two crystals were interchanged with irradiated crystals and the recovery was tracked.