Nils Gendner, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :

"Studies of PbWO4 Crystals and Construction and Tests of a compact Crystal Calorimeter for ZEUS"


Schlagwörter: beampipe calorimeter; bpc; pwo; pbwo4; crystal calorimeter; radiation damage
Summary

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.