title: Upgrade of the HADES RICH photon detector and first performance analyses
Creators: name: Förtsch, Jörg
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022
Subjects: HADES RICH detector MAPMT DiRICH

description: The 1.58A GeV Ag+Ag beamtime of the High Acceptance Dielectron Spectrometer HADES at GSI in March 2019 marked the first use of the improved HADES RICH covered in this thesis. This new RICH detector utilizes Hamamatsu H12700 MultiAnode Photo electron Multipliers (MAPMT) and the DiRICH readout chain developed at GSI, substantially improving the detector performance in terms of electron detection efficiency and identification. Different aspects related to this upgrade are covered throughout this thesis, beginning with preparatory studies on the MAPMTs and readout electronics. Followed by studies accompanying the construction phase of the RICH detector and finally the optimization of reconstruction procedures improving the performance of the detector on basis of the final beamtime data. The preparatory studies include a characterization of the 1100 MAPMTs obtained for the HADES- and CBM experiments together, monitoring their quality with regards to production time and giving attention to any longterm change in individual MAPMTs characteristics. Using these detailed sensor characteristics, this thesis describes a special procedure that groups the MAPMTs according to their amplification for final installation in the HADES RICH. Another important work described is the controlling of all 856 DiRICH-Front End Boards (FEB) in the HADES RICH detector. As the DiRICH-FEB can only digitize time stamps of incoming hits, and is not capable of measuring signal amplitude directly, a complete tool chain is developed to derive statistical amplitude distributions from threshold dependent rate scans. This data is used to control thresholds in the full detector setup for all 27392 readout channels individually. On basis of the finally obtained beamtime data, procedures are derived to optimize the reconstruction in the new RICH detector. These procedures include an analytical coordinate transformation from particle tracks to RICH ring coordinates, corrections for misalignment of the detector, and a mathematical transformation aiming to unify the measured ring radii over the full detection plane. Finally the time- and time over threshold-spectra (ToT) measured with the DiRICH are discussed. The ToT information is analyzed as a tool to distinguish single photons from simultaneous multi-photon hits in the same readout pixel and background sources. On basis of the timing information the effect of different cuts is examined, deriving also the best timing precision possible with this MAPMT and readout electronics.
description: Bei der 1.58A GeV Ag+Ag Strahlzeit des High Acceptance Dielectron Spectrometer HADES an der GSI im März 2019 kam das erste mal der verbesserte HADES RICH zum Einsatz, der in dieser Arbeit behandelt wird. Dieser neue RICH-Detektor nutzt Hamamatsu H12700 MehrkanalPhotoelektronenvervielfacher (MAPMTs) und die an der GSI entwickelte DiRICH-Auslesekette, welche die Detektorleistung erheblich verbessert. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit diesem Upgrade werden in dieser Arbeit behandelt, beginnend mit vorbereitenden Studien zu den MAPMTs und der Ausleseelektronik, über Studien, die die Bauphase des RICH-Detektors begleiten, bis hin zur Optimierung der Rekonstruktionsverfahren, welche die Leistung des Detektors auf der Basis der Strahlzeitdaten verbessern. Die vorbereitenden Studien beinhalten eine Charakterisierung der 1100 MAPMTs, die für die HADES- und CBM-Experimente zusammen erworben wurden, mit Fokus auf der Überwachung ihrer Qualität in Bezug auf die Produktionszeit und die Untersuchung jeglicher langfristiger Veränderung der Eigenschaften einzelner MAPMTs. Anhand dieser detaillierten Charakterisierung wird in dieser Arbeit ein spezielles Verfahren beschrieben, das die MAPMTs entsprechend ihrer Verstärkung für den endgültigen Einbau im HADES RICH gruppiert. Eine weiterer wichtiger Punkt der in der Thesis behandelt wird, ist die Steuerung aller 856 DiRICH-Front End Boards (FEB) im HADES RICH Detektor. Da das DiRICH-FEB nur Zeitinformationen von eingehenden Treffern misst und nicht in der Lage ist die Signalamplitude direkt zu messen, wird eine Software entwickelt, um statistische Amplitudenverteilungen aus schwellenabhängigen Ratenmessungen abzuleiten. Diese Daten werden verwendet, um die Schwellenwerte im gesamten Detektor-Setup für alle 27392 Auslesekanäle einzeln zu steuern. Auf Basis der schließlich gewonnenen Strahlzeitdaten werden Verfahren zur Optimierung der Rekonstruktion im neuen RICH-Detektor abgeleitet. Diese Verfahren beinhalten eine analytische Koordinatentransformation von Teilchenspuren zu RICH-Ringkoordinaten, Korrekturen für Fehlausrichtungen des Detektors und eine mathematische Transformation mit dem Ziel, gemessene Ringradien über die gesamte Detektionsebene anzugleichen. Schließlich werden die mit dem DiRICH gemessenen Zeit- und Zeit-über-Schwelle-Spektren (ToT) diskutiert. Hierbei wird analysiert inwiefern sich die ToT-Information als Werkzeug eignet, um einzelne Photonen von gleichzeitigen Multi-Photonen-Treffern im gleichen Auslesepixel und Hintergrundquellen zu unterscheiden. Auf Basis der Zeitinformation wird der Effekt verschiedener Zeitschnitte untersucht, wobei auch behandelt wird, welche bestmögliche Zeitpräzision mit diesem MAPMT und dieser Ausleseelektronik möglich wäre.