Photomultiplier

Als optischer Empfänger für das Szintillationslicht dient ein Photomultiplier (PM). Diese bieten die Möglichkeit hoher Verstärkung und schneller Signale. Der geringe Platz im Experiment läßt jedoch bei über 700 Kanälen pro Detektormodul den Einsatz von ``konventionellen'' Ein-Kanal-Photomultipliern nicht zu, sondern es müssen kompakte Multi-Kanal-Photomultiplier eingesetzt werden.

Die Firma Hamamatsu hat speziell für den Betrieb beim HERA-B-Experiment einen 64-Kanal-PM (Hamamatsu R5900-M64 [Ham97b]) entwickelt, bei dem jede Kathode eine Fläche von nur $(2\times2)~{\rm mm^2}$ abdeckt. Dieser PM besitzt ein Eintrittsfenster aus Borosilikatglas, auf dessen Innenseite sich eine Bialkali-Photokathode befindet. In Abbildung 3.3 ist die Quanteneffizienz der Photokathode in Abhängigkeit der Wellenlänge angegeben.

Abbildung 3.3: Nachweiswahrscheinlichkeit (Quanteneffizienz QE) als Funktion der Wellenlänge des 64-Kanal-Photomultipliers von Hamamatsu, aus [Ham97b].

Bei den Dynoden zur Elektronenvervielfachung handelt es sich um eine neu entwickelte Metallkanal-Dynodenstruktur. Dabei bilden hintereinanderliegende Metallplättchen einen linear fokussierenden 12-stufigen Dynodenkanal, so daß die an der Photokathode erzeugten Elektronen nur innerhalb eines Kanals bis zu einem Faktor $10^6$ vervielfacht werden. Dadurch bleibt die wesentliche Information erhalten, an welcher Photokathode die Photo-Elektronen entstanden sind.

Zu Beginn der Untersuchungen war die Segmentierung in 64 Kanäle noch in der Entwicklung und nur eine Version mit 16 Kanälen verfügbar [Ham97a]. Dieses Exemplar unterscheidet sich nur durch die Fläche der Photokathode pro Kanal (hier $(4\times4)~{\rm mm^2}$) von der für HERA-B vorgesehenen Version mit 64 Kanälen.

Die Kurve der Quanteneffizienz in Abbildung 3.3 spricht klar für die Verwendung von szintillierenden Fasern, die im blauen Wellenlängenbereich emittieren. Für die in Abschnitt 3.1.1 genannten szintillierender Fasern ergibt sich eine Nachweiswahrscheinlichkeit von nur 10 % für Kuraray 3HF (Emissionsmaximum 530 nm), dagegen aber von 20 % für Kuraray SCSF-78M (Emissionsmaximum 450 nm).

Dagegen steht die Erfahrung, daß szintillierende Fasern mit grünen Farbstoffen beständiger gegen Strahlenbelastung sind (siehe nächster Abschnitt), und so bei langen Betriebszeiten sich die geringere Nachweiswahrscheinlichkeit gegenüber blauen Farbstoffen eventuell wieder ausgleichen könnte.

Es war ein Ziel dieser Untersuchungen, die Eigenschaften der Fasern zu messen, um entscheiden zu können, welche szintillierende Faser in der Kombination mit dem genannten PM für den Langzeitbetrieb bei HERA-B besser geeignet ist.

Wie in Kapitel 2.1 erwähnt, wird ein Teil der Detektoren des Inneren Spurkammersystems in einem Magnetfeld betrieben, und in den Bereichen, in denen die Photomultiplier montiert werden, ist das Magnetfeld nicht vernachlässigbar. PMs sind empfindlich gegenüber Magnetfeldern, und darum ist eine Abschirmung notwendig. Es ist aber möglich, mit einer passiven Abschirmung einen uneingeschränkten Betrieb der PMs zu erreichen [Hau97].