Der KARMEN Detektor
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Zentraldetektor und innere Antizähler
Innere passive Abschirmung und Shieldzähler
Neutrino-Bunker
Aufbau der Vetozähler
- Auf den folgenden Seiten werden Aufbau und die wesentlichen
Eigenschaften des KARMEN-Detektors, der Antizählersysteme
innerer Anti, Shield und Veto und der sie umgebenden Abschirmungen
beschrieben. Zum besseren Verständnis werden zunächst die
Bezeichnungen und Lagen der verschiedenen Antizählerseiten
eingeführt. Die Seiten des Zentraldetektors und der Antizähler
werden als upstream, downstream, left, right, bottom und top
bezeichnet. Upstream bezieht sich dabei auf die dem Target
zugewandte Seite und downstream auf die gegenüberliegende
Seite. Ausgedrückt in Himmelsrichtungen steht Nord für
upstream, Süd für downstream, West für right und Ost
für left.
Zentraldetektor und innere Antizähler
- Aufgrund der guten Energie- und Zeitauflösung und der
extrem kleinen Wirkungsquerschnitte der zu untersuchenden
Neutrinoreaktionen fiel die Wahl beim Bau des KARMEN-Detektors auf
ein großvolumiges Flüssig-Szintillationskalorimeter. Der
zentrale Teil des Detektors besteht aus einem 6 m hohen, 3.53 m
tiefen und 3.20 m breiten Edelstahltank, der mit 65000 l eines am
Forschungszentrum Karlsruhe speziell entwickelten
Flüssigszintillators gefüllt ist. Der Flüssigszintillator
besteht aus 75% vol. Paraffinöl, 25% vol. Pseudocumol und einer
Beimischung von 2 g/l des Szintillators PMP
(1-Phenyl-3-Mesityl-2-Pyrazolin). Diese Mischung weist mit 7.2
Photonen/keV eine sehr hohe Lichtausbeute und mit einem Wert von 5 m
bei einer Wellenlänge von 425 nm eine den Detektordimensionen
hervorragend angepaßte Abschwächlänge auf.
- Der Zentraldetektor ist mit Hilfe von doppelten, 1.5 mm dicken
Plexiglasplatten, die miteinander verklebt einen dünnen
Luftspalt einschließen, in insgesamt 512 Zentraldetektormodule
mit dem Querschnitt 18.1´17.7 cm2
segmentiert. Diese Segmentierung leitet über
Totalreflexion am Luftspalt das im Szintillator produzierte und
isotrop emittierte Licht sehr effizient an die Modulenden, wo es
jeweils durch ein Paar 3 Zoll Valvo XP 3462 Photomultiplier
nachgewiesen wird. Die Segmentierung erlaubt zum einen eine starke
Konzentration des produzierten Lichts auf nur zwei
Photomultiplierpaare und damit den Vorteil einer relativ großen
Signalhöhe, zum anderen eine sichere und einfache
Ortsrekonstruktion, die in den Raumrichtungen quer zur
Modullängsachse durch die Modulnummer und längs dazu durch
eine Differenzzeitmessung der an den beiden Photomultiplierpaaren
registrierten Pulse gegeben ist. Die Auslese erfolgt mit insgesamt
2048 Photomultipliern, die in angepaßten Bohrungen in einer
sich an den Detektor anschließenden, 15 cm dicken Eisenwand
montiert sind. Die Photomultiplier sind über Glasfenster und
zwischen dem Glas und der umgebenden Eisenwand zirkulierendem
Paraffinöl optisch an den Szintillator angekoppelt. Das
Paraffinöl dient gleichzeitig zur Kühlung und Abfuhr der
etwa 43 kJ pro Tag und Photomultiplier betragenden Wärmeleistung
und erlaubt damit das Konstanthalten der Zentraldetektortemperatur
auf 18.2±0.5 °C.
An die 16 Spalten und 32 Reihen der Zentraldetektormodule schließt
sich jeweils eine weitere Reihe und Spalte von insgesamt 96 inneren
Antizählern an, die nur den halben Modulquerschnitt aufweisen
und an jedem Ende von einem Photomultiplier ausgelesen werden. Diese
Antizähler bilden die erste Stufe des Antizählersystems
und erlauben an vier von sechs Seiten des Zentraldetektors, von
außen eindringende Ereignisse, wie z.B. Spuren kosmischer
Myonen, zu identifizieren und das betroffene Ereignis bzw. seine
Folgeprodukte zu verwerfen.
-
Zu Kalibrations- und Testzwecken wurden an die Modulenden des
Zentraldetektors Glasfasern geführt, in die laserinduziertes
Szintillationslicht kontrolliert eingeschossen werden kann und so in
den Modulen Lichtblitze zu genau bekannten Zeiten und mit bekannter
Stärke erzeugt werden können. Unter anderem dient dieses
Lasersystem zur Kalibration der Absolutzeit der Ereignisse und zur
Bestimmung der Zeit- und Energieauflösung. Die sehr gute
Energieauflösung trägt zusammen mit dem hohen Anteil
aktiven Szintillators am Gesamtvolumen von 96.5% zu einer
Energiemessung mit spektroskopischer Qualität bei.
- Innerhalb der Luftspalte der Segmentierung des Zentraldetektors
befindet sich mit Ausnahme der jeweils äußeren Reihe und
Spalte mit Gd2O3 beschichtetes Papier. Das
Gadolinium macht mit einer Flächendichte von 73.8 g Gd/m2
auf dem Papier nur 0.1% des Gewichts des Zentraldetektors aus,
leistet jedoch aufgrund des extrem großen Wirkungsquerschnitts
von 49000 barn einen erheblichen Beitrag für den Nachweis
thermischer Neutronen im Zentraldetektor. Beim Einfang eines
Neutrons an Gadolinium werden im Mittel 3 Gammaquanten mit einer
Summenenergie von 8 MeV emittiert, die wiederum für ein
sichtbares Signal im Detektor sorgen. Neben dieser Reaktion dient
auch der Neutroneneinfang an den Protonen des Wasserstoffs mit der
Emission eines 2.2 MeV Gammaquants zum Nachweis von Neutronen.
Innere passive Abschirmung und Shieldzähler
- Außerhalb des Szintillatortanks und der
Photomultiplierwände schließt sich die sogenannte innere
passive Abschirmung des KARMEN-Detektors an. Es handelt sich hierbei
um eine die sechs Seiten des Detektors umgebende, jeweils 18 cm
dicke und insgesamt 180 t schwere Eisenabschirmung, die dem Tank
mechanische Stabilität verleiht und den Zentraldetektor vor dem
Eindringen kosmisch induzierten Untergrunds aus dem umgebenden
Bunker schützt. Montiert an der inneren passiven Abschirmung
befindet sich die zweite Stufe des Antizählersystems, der aus
insgesamt 136 aus NE110 Plastikszintillator bestehenden Modulen
aufgebaute, sogenannte Shielddetektor. Die Shieldzähler haben
eine Dicke von 3 cm, eine Breite von 30 cm und eine Länge
zwischen 2.4 und 3.1 m. Um eine möglichst dichte Packung der
Shieldzähler zu erreichen, werden die Zähler an den Enden
jeweils über eine 180°
Lichtumlenkung ausgelesen, die aus einer aufgeklebten, spiegelnden
Aluminiumfolie an den Modulenden und einem konisch zu einem 2 Zoll
EMI 9813 KB Photomultiplier zulaufenden Lichtleiter aus Plexiglas
besteht. Die Shieldzähler umgaben bis zum KARMEN-Upgrade nur
fünf Seiten der passiven Abschirmung, während des Upgrades
wurden unter dem Boden der Abschirmung zusätzlich acht
Vetomodule installiert. Durch die enge Packung der Zähler und
eine gute Myon/Gammatrennung erlaubt der Shield einen effizienten
Nachweis von Myonen, die in die innere passive Abschirmung
eindringen, und damit eine effiziente Unterdrückung
myoninduzierten Untergrunds. Außerhalb des Bereichs der
Shieldzähler produzierter Untergrund, z.B. durch Bremsstrahlung
von beim Zerfall von gestoppten Myonen entstandener
Michelelektronen, wird durch die innere passive Abschirmung stark
unterdrückt und gelangt somit nicht in den Zentraldetektor.
Neutrino-Bunker
-
- Alle bisher beschriebenen Detektorkomponenten sind von einem
7000 t schweren, 13.6 m langen, 8.4 m breiten und bis zu 10.6 m
hohen Eisenbunker umgeben, der zum einen die hadronische und
elektromagnetische Komponente der kosmischen Höhenstrahlung
vollständig beseitigt und die myonische Komponente um etwa 60%
reduziert, zum anderen als Abschirmung gegen strahlkorrelierten
Untergrund durch schnelle Neutronen vom ISIS-Spallationstarget
dient. Der lichte Innenraum des Bunkers hat eine Länge von 10
m, eine Breite von 4.20 m und eine Höhe von 7.15 m und wird an
der vom Target abgewandten Seite durch eine 600 t schwere Tür,
die sich auf Schienen zur Seite bewegen läßt,
abgeschlossen. Der Zugang zum Innenraum des Bunkers zu Kontroll- und
Wartungszwecken während des Meßbetriebs erfolgt durch ein
Labyrinth an der Seite der Tür. Der Aufbau des Bunkers erfolgte
um einen versteiften Käfig herum ähnlich wie bei einem
Kartenhaus durch das sukzessive Anbringen von bis zu 7.50 m hohen,
1.70 m breiten, 18 cm dicken und damit bis zu 20 t schweren
Eisenbrammen. Nach dem Aufbau von jeweils 2—3 Wandlagen
erfolgte die Sicherung durch eine horizontale Dachlage, die mit den
Wandlagen verstiftet wurde. Die Wände bestehen aus insgesamt 11
jeweils 18 cm dicken Lagen, während das Dach aus 17, sich
oberhalb der 7. Lage verkürzenden Lagen besteht. Damit erreicht
das trapezförmige Dach eine maximale Dicke von über 3 m.
Die Zählung der Wand- oder Deckenlagen erfolgt jeweils vom
Innenraum des Bunkers aus.
- Nur durch diesen schichtförmigen Aufbau war es im Laufe des
Jahres 1996 möglich, im Rahmen des KARMEN-Upgrades ein
zusätzliches, drittes Antizählersystem innerhalb der Wände
und des Dachs des Neutrino-Bunkers zu installieren. Dazu wurden etwa
2/3 der Eisenbrammen entfernt und vorgefertigte Rahmen mit 2-3
Vetozählern an der verbliebenen 5. Wandlage auf der dem Target
zugewandten, der rechten und linken Seite des Rest-Bunkers montiert.
Der durch das Auslassen der 6. Brammenlage zur Verfügung
stehende Platz für die Seiten-Vetozähler beträgt
dabei nur 14 cm. Zwischen der 6. und 7. Brammenlage wurde eine
geschlossenen Fläche aus 4 cm dicken Polyethylenplatten
angebracht, die zur Thermalisierung von strahlkorrelierten Neutronen
noch vor Erreichen der Vetozähler dienen. Eine Beimischung von
Bor ist nicht notwendig, da das die Polyethylenplatten umgebende
Eisen selbst die thermalisierten Neutronen einfängt. Die dabei
entstehenden Gammaquanten werden durch die 18 cm Eisen der 7.
Brammenlage vollständig beseitigt und gelangen nicht in die
Vetozähler in der 6. Lage. Nach der teilweisen
Wiederherstellung der Seitenwände des Bunkers konnten unter
Auslassung der 6. Deckenlage insgesamt 30 Vetozähler mit einer
Gesamtfläche von 73.12 m2 im Dach installiert
werden. Die ursprüngliche 6. Deckenlage wurde zur 7., insgesamt
wurde damit wieder die gleiche Dach-Abschirmung wie vor dem Upgrade
erreicht.
- Um den eigentlichen Bunker herum befinden sich an der Ost- und
Westseite und vor allem an der dem Target zugewandten Nordseite
zusätzliche Abschirmungen, die an strategischen Stellen
angebracht wurden, hauptsächlich um den Fluß schneller
Neutronen in den Zentraldetektor vom Haupttarget, aber auch vom
Protonenstrahl aufwärts gelegenen Zwischentarget für
Myonen—Spinexperimente (mSR-Target)
zu reduzieren. Diese Abschirmungen wurden während des
KARMEN-Upgrades durch die Eisenbrammen der 6. Wandlage zum Teil
erheblich verstärkt und erhöht. So bieten diese
Abschirmungen jetzt auch den Veto-Dachzählern Schutz vor
strahlkorreliertem Untergrund durch schnelle Neutronen und durch
(n,g)-Einfänge thermalisierter
Neutronen im Bunker. Auf dem Bunker wurde die Abschirmung U-förmig
um das trapezförmige Dach verstärkt, um den durch Skyshine
verursachten, von oben einfallenden Neutronenfluß
abzuschwächen. Gleichzeitig dient diese zusätzliche
Abschirmung nach dem Upgrade zum Schutz der Veto-Dachzähler
nach oben und bewirkt auch eine Verringerung der myoninduzierten
Zählrate an den außen liegenden Enden der Vetomodule.
Aufbau der Vetozähler
-
Das Vetosystem inklusive dem neu hinzugekommenen Shield Bottom
besteht aus insgesamt 136 einzelnen Vetomodulen aus 3.15 m, 3.75 m
bzw. 4 m langem, 65 cm breitem und 5 cm dickem Bicron BC412
Plastikszintillator. Dieser Szintillator weist eine sehr gute
absolute Lichtausbeute von etwa 8.5 Photonen/keV deponierter Energie
auf. Die effektive, über das Emissionspektrum und die spektrale
Quanteneffizienz der verwendeten Photomultiplier gemittelte
Abschwächlänge beträgt 6 m. Die Abbildung
verdeutlicht die Anordnung der zur Auslese an beiden Schmalseiten
des Zählers verwendeten 180°
Lichtumlenkung und der jeweils vier 2 Zoll Philips VALVO XP 2262
Photomultiplier. Zur Lichtumlenkung dient an jedem Ende ein 10 cm
langes, 6 cm dickes und über die ganze Breite des Zählers
reichendes Szintillatorstück, das auf den Zähler
aufgeklebt ist. Sowohl die Schmalseiten des Zählers als auch
die nach außen weisende Fläche der Lichtumlenkung weisen
einen Winkel von 12 bzw. 7 Grad zur Senkrechten auf. Dies
unterstützt zusammen mit den an den abgewinkelten Flächen
angebrachten hochreflektierenden Aluminiumblechen (95%) die
effiziente Lichtumlenkung in die Photomultiplier. Die
Photomultiplier wurden mit Hilfe von optischem Zement an den
Positionen ±24.1 cm und ±7.6
cm relativ zur Symmetrieachse des Zählers an die Lichtumlenkung
geklebt. Die Positionen wurden mit Hilfe einer Monte—Carlo
Simulation im Hinblick auf eine möglichst homogene Verteilung
der Lichtmenge auf die vier Photomultiplier optimiert. Der optische
Zement erreicht mit einem Brechungsindex von n = 1.54 nahezu den
Brechungsindex des Szintillators von n = 1.58 und minimiert damit
die Reflexionsverluste bei den optischen übergängen
zwischen dem Zähler, der Lichtumlenkung und den
Photomultipliern. Im Raum zwischen den Photomultipliern wurden
ebenfalls Aluminium-Spiegelbleche angebracht, um austretendes Licht
in die Lichtumlenkung zurückzuwerfen und so teilweise den
Photomultipliern zuzuleiten.
- Der Lichttransport im Szintillator erfolgt ähnlich wie in
den Zentraldetektormodulen durch Totalreflexion des Lichts am
optischen übergang vom dichten Szintillatormedium zum optisch
dünneren Medium Luft. Der Grenzwinkel der Totalreflexion
beträgt 39° relativ zur
Oberflächennormalen. Zur Ergänzung des Lichttransports
durch Totalreflexion wurden die Zähler vollständig in
zerknitterte Aluminiumfolie eingepackt. Durch das Zerknittern bleibt
gewährleistet, daß die Aluminiumfolie nicht auf dem
Szintillator aufliegt und die Totalreflexion durch die weniger
effiziente Spiegelreflexion an der Folie ersetzt wird. über
eine reine Schutzfunktion hinaus reflektiert diese Aluminiumfolie
aus dem Szintillator austretendes Licht zurück in den
Szintillator, wo es aufgrund von Oberflächenunebenheiten sogar
wieder unter Totalreflexion weiter transportiert werden kann. Die
Aluminiumfolie erhöht die gesamte Lichtausbeute aus den Zählern
erheblich, dies wurde sowohl in Messungen als auch durch Monte-Carlo
Simulationen bestätigt. Die gesamte Konfiguration der
Vetozähler wurde auf eine möglichst hohe Lichtausbeute und
vor allem eine homogene Nachweiswahrscheinlichkeit für Myonen
über der ganzen Fläche der Zähler optimiert. So
ermöglicht die Lichtumlenkung an den Enden der Zähler
nicht nur einen kompakten Aufbau des gesamten Vetosystems, sondern
sie homogenisiert auch den Myonnachweis an den Modulenden und
gewährleistet eine 100%ige Nachweiswahrscheinlichkeit auf der
ganzen Länge der Module. Eine Auslese durch direkt an den
Zähler geklebte Photomultiplier verursacht dagegen blinde
Stellen zwischen den Photomultipliern, da durch den kleineren
Brechungsindex des Photomultiplierglases von n = 1.4 nur Licht aus
einem beschränkten Winkelbereich die Photokathode erreicht. Die
Lichtumlenkung ist mit einer Lichtsammlung von 50% relativ zur
geraden Auslese sehr effizient. Durch die große Abschwächlänge
des Szintillators und der exzellenten Lichttransporteigenschaften
der Vetozähler ergeben sich sehr flache Lichtausbeutekurven,
die zusammen mit der Dicke von 5 cm der Zähler eine
hervorragende Myon/Gammatrennung erlauben.
- Die vier Photomultiplier einer Zählerseite werden mit einer
gemeinsamen Hochspannung versorgt und die Signale bereits direkt an
den Modulen passiv addiert. Deshalb war es notwendig, bei den
verwendeten Gruppen von Photomultipliern auf eine möglichst
gleiche Verstärkung innerhalb des Bereichs der während des
Betriebs anliegenden Hochspannungen zu achten. Dazu wurde die
Verstärkung aller 1100 von Philips gelieferten Photomultiplier
vermessen und in einer matching Prozedur jeweils passende
Photomultiplier zu einer Gruppe zusammengefaßt. Die Variation
der Verstärkungen konnte damit unter 10% gehalten werden.
- Die 3.75 m langen Dach- und Bodenzähler und die 4 m langen
Downstream-Zähler wurden über die ganze Länge und
Breite der Module zwischen den Lichtumlenkungen und auf der
Unterseite jeweils mit 4 cm dicken, borierten Polyethylenplatten
versehen. Ziel dieser Anordnung war es, ähnlich wie im Inneren
des KARMEN-Bunkers Neutronen zu thermalisieren und durch das Bor zu
absorbieren. Da für den Einbau der 3.75 m langen Zähler
der Upstream-, Left- und Right-Vetoseite nur 14 cm Platz zur
Verfügung standen, konnte hier nur zwischen den
Lichtumlenkungen boriertes Polyethylen angebracht werden. Alle
Zähler wurden in schwarze Polyethylenfolie lichtdicht
verschweißt und die Veto Left, Right, Upstream und Downstream
Zähler zu Einheiten von jeweils 2 bzw. 3 Modulen auf einem
Rahmen montiert. Diese Rahmen wurden komplett an den Bunkerwänden
installiert. An der Downstream-Seite des KARMEN-Detektors, im
Innenraum des Bunkers, wurde anschließend an die borierte
Polyethylenabschirmung der Shieldzähler eine 90 cm dicke
Eisenwand errichtet, die die gesamte lichte Breite und Höhe des
Innenraums ausfüllt. An dieser Wand schließlich wurden
die insgesamt 10, in zwei Zweierrahmen und zwei Dreierrahmen
zusammengefaßten Veto Downstream Zähler montiert. Die
Wand ist notwendig, um Neutronen, die durch Myonen im downstream
Bereich des Bunkers produziert werden, durch Eisen zwischen den
Zählern und dem Zentraldetektor abzuschwächen. Mit einer
Abschwächlänge von 21.6 cm für Neutronen ergibt sich
nach 1 m Eisen (90 cm Downstream-Wand bzw. 5 Brammenlagen der Wände
zuzüglich der inneren passiven Abschirmung) eine Abschwächung
auf etwa 1% der Primärintensität.
|
Seite
|
Up
|
Down
|
Left
|
Right
|
Top
|
Bottom
|
|
Module
|
2´11 |
10
|
3´11 |
3´11 |
2´15 |
8
|
|
Länge
|
3.15 m
|
4.00 m
|
3.15 m
|
3.15 m
|
3.75 m
|
3.15 m
|
|
Gesamtfläche
|
45.05 m2 |
26.00 m²
|
67.57 m²
|
67.57 m²
|
73.13 m²
|
16.38 m²
|
|
Rahmen
|
6´3er
|
2´3er
|
9´3er
|
9´3er
|
¾ |
¾ |
|
2´2er
|
2´2er
|
3´2er
|
3´2er
|
¾ |
¾ |
- Bei der Montage der Modulrahmen und bei der Installation am
Bunker wurde auf möglichst kleine Lücken zwischen den
einzelnen Zählern geachtet. Als limitierend erwiesen sich neben
dem unabdingbaren Platz für Halterungen auch die Toleranzen,
die aufgrund der zu erwartenden Wärmeausdehnung durch
Temperaturschwankungen in der Zählerumgebung einzuhalten waren.
Die obige Tabelle stellt für die einzelnen Vetoseiten die
Anzahl der verwendeten Module und die Gesamtflächen der Seiten
zusammen. Die Lücken zwischen den Modulen und Rahmen bestimmen
wesentlich die totale Leckrate des Vetosystems. Der Veto Top ragt
über die Seitenwände des Vetos hinaus, um mit Hilfe einer
Schattenwirkung die durch die 3. und 4. Deckenlage und die Wandlagen
rechts und links des Veto Downstream verursachten Lücken zu
überdecken. Obwohl die Flächenbelegung insgesamt nur 87.7%
beträgt, wurde eine Myonnachweiswahrscheinlichkeit für in
den Zentraldetektor eindringende Myonen von 99.4% erreicht.
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