Inhaltszusammenfassung:
Das Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) ist ein 26t Gadolinium
dotierter Wasser-Cherenkov-Detektor. Der Detektor befindet sich auf der Achse des Booster-
Neutrino-Beam (BNB) am Fermilab. Sein Hauptziel ist die Messung der Neutronen-Multiplizität
im Endzustand von Neutrino-Nukleus-Wechselwirkungen, um die systematischen Unsicherheiten
zukünftiger Longbaseline-Neutrinoexperimente zu verringern. Eine der wichtigsten
Eigenschaften von ANNIE ist der Einsatz einer neuen Photosensoren Technologie namens Large
Area Picosecond Photodetector (LAPPD). Diese neuartigen Sensoren bieten eine Zeitauflösung
im Pikosekundenbereich sowie eine Ortsauflösung im Subzentimeterbereich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Softwareumgebung für die LAPPDs entwickelt und getestet,
welche sowohl die Datenerfassung (Data Acquisition) als auch die Steuerung (Slow Control)
umfasst. Zunächst erfolgte dies in einem Labor vor Ort zur Durchführung von Charakterisierungsmessungen,
wovon einige Messungen in dieser Arbeit analysiert wurden. Die Integration
in die Hauptsoftwareumgebung von ANNIE und der erfolgreiche Einsatz von drei LAPPDs
folgte. Es konnte gezeigt werden, dass nach dem Einbau alle drei LAPPDs funktionierten und
Ereignisse aus Neutrino-Wechselwirkungen, induziert durch den BNB, identifiziert werden
konnten. Der gleichzeitige erfolgreiche Betrieb von drei LAPPDs wurde somit erreicht.
Ein zweiter Bestandteil dieser Arbeit war die Entwicklung und Optimierung für Silizium-
Photomultipliern (SiPM). Um die Lichtausbeute der Sensoren zu verbessern, wurden diese mit
aktiven oder passiven Lichtkollektoren kombiniert. Monte Carlo Simulationen führten zu einer
Geometrie für die Lichtkollektoren, bei der ein konischer unterer Teil zur Ankopplung an den
SiPM mit einem parabolischen oberen Teil zur Erhöhung der internen Totalreflexion kombiniert
wurde. Kalibriermessungen ergaben Zeitauflösung der Sensoren zwischen (152.7±102.5) ps
und (588.7±28.86) ps. Die Bestimmung der charakteristischen Parameter zur Beschreibung
des Zeitprofils der Lichtemission verschiedener Flüssigproben wie Wasser und Szintillatoren
zeigte, dass der Einsatz von Lichtkollektoren die Anzahl detektierter Photonen in der „region of
interest“ effektiv erhöht. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Lichtkollektoren nahezu
keinen Einfluss auf die Zeitauflösung des Sensors selbst haben.
Abstract:
The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is a 26-ton gadolinium
doped water Cherenkov detector situated on-axis of the Booster-Neutrino-Beam (BNB) at
Fermilab. Its main goal is to measure the final state neutron multiplicity of neutrino-nucleus
interactions to improve the systematic uncertainties of next-generation long baseline neutrino
experiments. One of ANNIE’s key features is the deployment of a new photosensor technology
called Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPD). These new state-of-the-art photosensors
offer a picosecond time resolution as well as sub-centimetre spatial resolution.
In this work, the software environment, which includes data acquisition as well as slow control,
for the LAPPDs was developed and tested - first in an on-site laboratory for characterisation
measurements, a part of which has been analysed in this thesis, followed by the integration into
the main ANNIE software environment and the successful deployment of three LAPPDs. It
could be shown that all three LAPPDs were operating normally after deployment and events
from neutrino interactions induced by the BNB could be identified. The successful operation of
three LAPPDs simultaneously was achieved.
A second part of this thesis is the development and optimisation for Silicon Photomultipliers
(SiPM). To improve the light collection of the sensors, they have been combined with either
active or passive light collectors. A geometry for the light collectors was chosen based on Monte
Carlo simulations, combining a conic bottom part to connect to the SiPM and a parabolic top
part to increase internal total reflection. Calibration measurements resulted in a time resolution
of the sensors between (152.7±102.5) ps and (588.7±28.86) ps. The determination of the
characteristic parameters to describe the time profile of the light emission of different liquid
samples, like water and scintillators, showed that the use of light collectors effectively increases
the amount of detected photons in the region of interest for the light emission. It has also been
shown that the addition of light collectors has almost no influence on the timing response of the
sensor.
Detector