Armin Meyer-Larsen, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :

"Konstruktion, Aufbau und Kalibration eines strahlrohrnahen Bleiwolframatkalorimeters zur Verwendung im ZEUS-Experiment"

Kurzfassung

In den HERA-Experimenten H1 und ZEUS wird zur Bestimmung der Strukturfunktion F₂ des Protons die Reaktion e^-p -> e^-X studiert. Zur Messung der Energie von Elektronen, die unter kleinem Winkel gestreut werden, ist im ZEUS-Experiment seit 1995 ein kleines elektromagnetisches Stichprobenkalorimeter (Beampipe Calorimeter: BPC II) direkt am Strahlrohr installiert. ZEUS plant nun, dieses Kalorimeter durch ein neues Kalorimeter aus Bleiwolframatkristallen (BPC III) zu ersetzen. Das Strahlrohrkalorimeter mißt die Energien von Elektronen aus der inelastischen Elektron-Proton-Streuung im besonders interessanten kinematischen Bereich 0,11 < Q² < 0,65 GeV² und 2 * 10^-6 < x < 6 * 10^-5, dem Übergangsbereich zwischen Photoproduktion und tiefinelastischer Streuung. Die Verbesserung der Energieauflösung von 17, die mit dem BPC II erreicht wird, auf 5, wie sie mit dem BPC III erreicht werden kann, würde eine viel genauere Bestimmung von F₂ ermöglichen sowie den zugänglichen kinematischen Bereich erweitern. Das neue BPC III muß eine Reihe von Anforderungen erfüllen, die sich einerseits aus der angestrebten Energieauflösung und andererseits aus Gegebenheiten des ZEUS-Experiments ergeben. Zunächst wurden Untersuchungen an einzelnen Kristallen hinsichtlich Lichtausbeute, Signal-, und Temperaturverhalten sowie Strahlungsempfindlichkeit durchgeführt, die ergeben haben, daß mit PbWO₄-Kristallen diese Anforderungen erfüllt werden können. Anfang 1998 ist das BPC III aus 4 x 4 Kristallen fertiggestellt worden. Für das Kalorimeter sind Subkomponenten zur ständigen Funktionsüberwachung und zur Stabilisierung entwickelt worden. In einem Elektronenstrahl von 3 bis 100 GeV am Beschleuniger SPS am Forschungszentrum CERN wurde das BPC III hinsichtlich Linearität, Uniformität, Energieauflösung, Stabilität und Ortsauflösung untersucht. Eine Kalibration aufgrund dieser Daten ist durchgeführt worden. Es wurde eine Monte-Carlo-Simulation zur detaillierten Beschreibung des BPC III unter den Bedingungen des ZEUS-Experiments entwickelt. Der Vergleich der Daten aus dem Testbetrieb mit den Ergebnissen der Simulation zeigt weitgehende Übereinstimmung.

Titel

Kurzfassung

Summary

With the two HERA experiments H1 and ZEUS the structure function of the proton F₂ is measured by studying the reaction e^-p -> e^-X. Since 1995 a small electromagnetic sampling calorimeter (beampipe calorimeter: BPC II) is installed close to the beampipe for measuring the energy of electrons with very small scattering angles. ZEUS now plans to replace BPC II by a new calorimeter made of lead-tungstate crystals (BPC III). The beampipe calorimeter measures the energies of electrons from the inealstic electron-proton scattering in the particulary interesting kinematic region 0.11 < Q² < 0.65 GeV² and 2 * 10^-6 < x < 6 * 10^-5 where the transmission from photoproduction to deep inelastic scattering occurs. The new calorimeter BPC III is expected to improve the energy resolution to 5 compared to 17 as achieved with the BPC II. This would result in a much higher precision of the measurement of F₂ and would further extend the accessible kinematic region. The new BPC III has to meet challenging requirements. These requirements are given on the one hand due to conditions given by the ZEUS experiment, and on the other hand by the energy resolution, that has to be reached. Bench tests concerning light yield, temperature effects, signal shape and radiation sensitivity have shown that the crystals meet the demands. A full-size calorimeter of 4 x 4 crystals has been built in the beginning of 1998. The subcomponents for monitoring and stabilization of the functionality of the BPC have been developed. The new BPC III has been tested in an electron beam of 3 to 100 GeV at the accelerator SPS at the research center CERN with regard to linearity, uniformity, energy resolution, stability, and position resolution. A calibration based on these data has been done. A standalone Monte Carlo simulation has been developed, which describes in detail the BPC III under conditions given by the ZEUS experiment. The data from the test measurements at CERN-SPS are in good agreement with the Monte Carlo generated data.