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Conception and design of a mirror alignment and control system for the Ring Imaging Cherenkov detector of the CBM experiment

Bendarouach, Jordan


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-147484
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2019/14748/

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Freie Schlagwörter (Englisch): CBM , RICH , mirror alignment , mirror correction cycle
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.07.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 12.07.2019
Kurzfassung auf Englisch: The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) complex will investigate the phase diagram of strongly interacting matter at high baryon density and moderate temperatures in A+A collisions. The beam energy will range from 2 up to 11 AGeV for the heaviest nuclei at the SIS 100 accelerator set-up. Due to their penetrating nature, electromagnetic probes are particularly interesting, as they deliver undistorted information from the fireball, unveiling properties of the created hot and dense matter.
To cope with the CBM physics program, an efficient and clean electron identification and pion suppression (for momenta up to 8 GeV/c) will be provided by the CBM-RICH (Ring Imaging Cherenkov) detector. In the SIS 100 set-up, the RICH detector together with four layers of Transition Radiation Detector, should reach a combined pion suppression factor of 1000 to 5000 in a wide acceptance. The RICH detector will be made of a CO2 gaseous radiator, Multi-Anode Photo-Multipliers (H12700 MAPMTs from Hamamatsu) for photon detection and 80 trapezoidal glass mirror tiles, equally distributed in two half-spheres and used as focusing elements with spectral reflectivity down to the UV range.
One of the technical challenges emerging, while interchanging the RICH with the MuCh (Muon Chambers) presumably on a yearly basis, is a rigid and stable mechanical design along with a mirror alignment monitoring system. The latter combines two methods used in the COMPASS and HERA-B experiments and was adapted to the CBMRICH detector geometry. In addition, a correction cycle was designed, which guarantees a proper operation of the detector even though mirrors are misaligned. These developments are the subject of the presented thesis.
The first method to determine mirror rotations is the Continuous Line Alignment Monitoring (CLAM) method. It uses a dedicated equipment: cameras with good pixel resolution, LEDs as light source and a grid made of retroreflective material. The principle relies on the fact that the reflected grid on the mirrors will appear broken at mirror edges, if the neighbouring mirrors are misaligned with one another. This is the fast qualitative variant of the method.
Furthermore, it can be used as a quantitative method to determine mirror rotations. In this case a previous laboratory calibration is prerequisite, which consists in measuring the pixel shift generated by given mirror rotations for a single mirror tile. This calibration has to be conducted on all mirrors to allow a complete measurement of mirror rotations The second technique adapted for the CBM-RICH detector uses data in software. The principle is to measure, for a high enough number of cumulated rings reflected on a single mirror tile, two quantities referred to as the ‘Cherenkov distance’ and ‘Cherenkov angle’. In case of mirror misalignment, plotting the ‘Cherenkov distance’ as a function of the ‘Cherenkov angle’, reveals a sinusoidal behaviour. After a fitting procedure, the extracted parameters can be related to the mirror rotations, allowing an accurate quantification of mirror rotations.
The performances of this technique were investigated. For a horizontal rotation of the mirror tile, the technique works for misalignments ranging between 0.3 and 14 mrad. For a vertical rotation of the tile, the technique yields accurate results for misalignments ranging from 0.4 mrad up to 15 mrad. It is more reliable for tiles located in the centre of the mirror wall than for tiles in the outer region.
A mirror correction cycle specifically designed for the CBM-RICH detector is introduced. It uses the mirror rotation information from the two presented methods to correct the track extrapolation on the MAPMT planes. Thus the distance between the extrapolated track and the reconstructed ring centre is reduced. It was added inside the CbmRoot framework and can run automatically in the reconstruction procedure.
The correction cycle was tested in simulations. The mirror tiles were artificially misaligned on both their axes following a Gaussian distribution with a standard deviation of 1 mrad. The mean ring-track distance then amounts to 0.47 cm, while being 0.14 cm in the aligned case. Applying the correction cycle reduces this number to 0.17 cm, which is close to the ideal case. In addition, it corrects the matching efficiency of the CBM-RICH and the electron identification efficiency with respect to the misaligned case. Even with a standard deviation of 3 mrad, the results obtained remain within the specifications required by the technical design report of the CBM-RICH detector.
Kurzfassung auf Deutsch: Das ‘Compressed Baryonic Matter’ (CBM) Experiment an der zukünftigen ‘Facility for Antiproton and Ion Research’ (FAIR) Anlage hat zum Ziel, das Phasendiagramm von stark wechselwirkender Materie in A+A Kollisionen bei hoher baryonischer Dichte und moderater Temperatur zu untersuchen. Die Strahlenergie wird von 2 bis 11 AGeV für die schwersten Kerne an der SIS 100 Beschleunigeranlage reichen. Aufgrund ihrer durchdringenden Natur sind elektromagnetische Sonden wie Photonen oder e-/e+ Paare besonders interessant um die erzeugte Materie zu untersuchen, da sie nicht mit dem erzeugten Feuerball stark wechselwirken. Durch ihr Studium sollten die Eigenschaften der erzeugten heißen und dichten Materie besser verstanden werden.
Eine der Voraussetzungen zur Durchführung des Physikprogramms von CBM ist eine effiziente und saubere Elektron Identifizierung zusammen mit einer Pionen Unterdrückung für Impulse bis zu 8 GeV/c. Diese werden durch einen ‘Ring Imaging CHerenkov’ (RICH) Detektor erreicht. Zusammen mit vier Schichten eines ‘Transition Radiation Detectors’ soll der RICH Detektor einen kombinierten Pion Suppression Faktor von 1000 bis 5000 in einer breiten Akzeptanz an der SIS 100 Anlage erreichen. Der Detektor wird aus einem gasförmigen CO2 Radiator, ‘Multi-Anode Photo-Multipliers’ (H12700 MAPMTs von Hamamatsu) und 80 trapezförmigen Spiegelkacheln aus Glas bestehen. Die Kacheln werden in zwei Halbkugeln gleichmäßig verteilt und als Fokussierelemente mit einem spektralen Reflektionsvermögen bis hinunter in den UV Bereich genutzt.
Eine der technischen Herausforderungen stammt von dem angestrebten jährlichen Austausch des RICH Detektors und des MuCh Detektors (Muon Chambers). Dafür sind eine starre und stabile mechanische Konstruktion zusammen mit einem Überwachungssystem für die Spiegelausrichtung notwendig. Das Spiegelüberwachungssystem kombiniert zwei Methoden, die bereits in den COMPASS und HERA-B Experimenten genutzt werden und an die Geometrie des CBM-RICH Detektors angepasst wurden. Darüber hinaus wurde ein Korrekturzyklus entwickelt, der einen vorgabengemäßen Betrieb des Detektors sicherstellt, selbst bei falscher Ausrichtung der Spiegel. Diese Entwicklungen sind das Thema der vorliegenden Dissertation.
Die erste Methode ist die ‘Continuous Line Alignment Monitoring’ (CLAM) Methode. Sie kommt aus dem COMPASS Experiment und wird genutzt, um die Spiegelorientierung zu bestimmen. Sie benötigt eine spezifische Ausrüstung: Kameras mit guter Pixelauflösung, LEDs als Lichtquellen und ein Gitter aus retroreflektierendem Material. Das Prinzip der schnellen qualitativen Variante der Methode ist Folgendes. Falls angrenzende Spiegel zueinander verstellt sind, wird das reflektierte Gitter an den Spiegelkanten gebrochen aussehen.
Außerdem kann die CLAM Methode genutzt werden, um Spiegeldrehungen quantitativ zu bestimmen. In diesem Fall ist eine vorherige Laborkalibration Voraussetzung. Durch die Kalibrierung werden Pixelverschiebungen mit gegebenen Spiegeldrehungen für jede einzelne Kachel verbunden. Diese Kalibrierung muss an allen Spiegelkacheln durchgeführt werden, damit eine vollständige Messung ermöglicht wird.
Die zweite Methode, die an den CBM-RICH Detektor angepasst wurde, benötigt Daten in der CbmRoot Software. Das Prinzip besteht darin, zwei Größen bezeichnet als ‘Cherenkov Abstand’ und ‘Cherenkov Winkel’ zu bestimmen. Dazu braucht man eine genügend große Anzahl von kumulierten Ringen, die auf einer einzelnen Spiegelkachel reflektiert wurden. Falls die Spiegelkachel nicht ausgerichtet ist, wird die Darstellung des ‘Cherenkov Abstandes’ als Funktion des ‘Cherenkov Winkels’ sinusförmig sein. Die Parameter der sinusförmigen Funktion können gefitted werden und stehen in direktem Verhältnis zu der Spiegeldrehung, was eine präzise Quantifizierung der Spiegeldrehung ermöglicht.
Die Leistungsfähigkeit dieser Methode wurde in Simulationen untersucht. Die Methode funktioniert für Drehungen einer Spiegelkachel um ihre horizontale Achse zwischen 0,3 und 14 mrad. Für eine vertikale Drehung des Spiegels, ergibt die Methode genaue Ergebnisse für falsche Spiegeljustierungen zwischen 0,4 und 15 mrad. Die Methode ist genauer für Spiegelkacheln, die sich im Zentrum der Spiegelwand befinden, als für Kacheln, die in dem äußeren Bereich der Spiegelwand liegen.
Als dritter Schritt wurde ein Korrekturzyklus für die Spiegeljustierung in der Cbm-Root Software eingeführt, der gezielt für den CBM-RICH Detektor gestaltet wurde. Der Korrekturzyklus verwendet die Spiegeldrehungswerte aus den zwei vorgelegten Methoden, um die Extrapolation der Spuren auf die MAPMT Ebene zu korrigieren. So wird der Abstand zwischen der extrapolierten Spur und dem rekonstruierten Ring Zentrum verringert. Der Korrekturzyklus kann automatisch in der Rekonstruktion der Ereignisse in CbmRoot mitlaufen.
Der Korrekturzyklus wurde in Simulationen getestet. Die Spiegelkacheln wurden künstlich um beide Drehachsen mit einer Gaußschen Verteilung mit einer Standardabweichung von 1 mrad verstellt. Der typische Ring-Spur Abstand beträgt damit 0.47 cm, mit dem Korrekturzyklus läßt er sich auf 0.17 cm reduzieren, was nahe an dem idealen Fall von 0.14 cm liegt. Der Zyklus korrigiert damit auch die Matching Effizienz und die Elektronidentifizierungseffizienz. Auch wenn die Standardabweichung der Gaußschen Verteilung auf 3 mrad erhöht wird, bleiben die Ergebnisse innerhalb der Spezifikationen, die in dem CBM-RICH Technical Design Report gefordert wurden.
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