Detailed studies of light transport in optical components of particle detectors

Dietz-Laursonn, Erik; Hebbeker, Thomas; Pooth, Oliver

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-063351

Detailed studies of light transport in optical components of particle detectors = Detaillierte Studien des Lichttransports in optischen Detekterkomponenten

Dietz-Laursonn, Erik^RWTH*

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Erik Dietz-Laursonn

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (244 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pooth, Oliver (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-08-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-063351
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/667646/files/667646.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/667646/files/667646.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geant4 (frei) ; Szintillation (frei) ; scintillation (frei) ; optical fibres (frei) ; Cherenkov radiation (frei) ; wavelength-shifting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Szintillator- und Faser-basierte Teilchendetektoren sind ein unerlässliches Werkzeug in der Hochenergie-Teilchenphysik, der Medizinphysik und anderen Anwendungsgebieten. Die Kombination aus der potentiell sehr geringen Lichtausbeute der optischen Detektorbauteile, bis zu einigen wenigen Photonen, und dem unvermeidlichen Lichttransport zu Photodetektoren macht sowohl ein optimales Design als auch ein detailliertes Verständnis solcher Detektoren nötig. Daher werden sehr detaillierte Simulationen gebraucht, welche eine sehr genaue Modellierung der optischen Physik (Optik, Szintillation, wellenlängenschiebende Effekte,...), der optischen Materialeigenschaften und der optischen Bauteile voraussetzen. Um eine verlässliche Nutzung auch durch unerfahrene Nutzer zu ermöglichen, dürfen die nötige Komplexität und Flexibilität von adäquaten Simulations-Frameworks nicht zu einer erhöhten Gefahr von Nutzerfehlern führen. Zusätzlich muss der Aufwand, der nötig ist um eine detaillierte Simulation zu erstellen oder zu modifizieren, minimiert werden, um die schnelle Erzeugung von flexiblen Simulationen zu ermöglichen.Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Herausforderungen mit der Entwicklung des vielseitigen Simulations-Frameworks GODDeSS angegangen. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung von Geant4, einem Simulationswerkzeug für die Teilchenphysik, die die leichte Simulation von optischen Detektorbauteilen, insbesondere Szintillatoren, optische Fasern und Photodetektoren, ermöglicht. Um dies zu erreichen, wurde die Erzeugung von simulierten Aufbauten soweit wie möglich automatisiert: Die Materialeigenschaften der optischen Detektorbauteile werden mittels leicht verständlichen Textdateien definiert und neue Objektklassen ermöglichen die Erzeugung von Szintillatorkacheln, optischen Fasern, reflektierenden Hüllen und Anstrichen sowie von Photodetektoren mit einer einzelnen Code-Zeile pro erzeugtem Objekt. Dies hat eine Erhöhung der Flexibilität bei gleichzeitiger Verringerung der Kompatibilität zur Folge. Der Nutzer kann umfangreiche Aufbauten in wenigen Code-Zeilen erzeugen, wobei typische Fehler vermieden werden, da die Besonderheiten von Geant4 bezüglich der Konfiguration der optischen Prozesse automatisch durch das GODDeSS Framework gehandhabt werden. All das macht GODDeSS zu einem exzellenten Ansatz zur Vereinfachung der detaillierten Simulationen von optischen Detektorkomponenten, welche für das Konstruieren von modernen Teilchendetektoren und für das Verstehen ihres Ansprechverhaltens nötig sind. Die vorliegende Arbeit stellt das GODDeSS Framework, seine Klassen und seine Funktionsweise vor. Des weiteren werden die umfangreichen Bemühungen präsentiert, es gegen Herstellerdaten und Testmessungen mit Prototypmodulen zu validieren. Zusätzlich wurden detaillierte Simulationen durchgeführt, um die optischen Eigenschaften von optischen Fasern und die Charakteristika des Ansprechverhaltens von Detektormodulen zu untersuchen.

Scintillator- and fibre-based particle detectors are an indispensable tool in high-energy particle physics, medical physics and other fields of application. The potentially very low light yield, down to a few photons, of the optical detector components in combination with the inevitable light transport to photodetectors necessitate an optimal design and detailed understanding of such detectors. Thus, very detailed simulations are needed, which require a very accurate modelling of the optical physics (optics, scintillation, wavelength-shifting effects,...), of the optical material properties, and of the optical components. To allow for a reliable usage also by less experienced users, the necessary complexity and flexibility of a suitable simulation framework must not lead to an increasing danger of user mistakes. Additionally, the required effort for creating or modifying a detailed simulation has to be minimised in order to allow for the fast creation of flexible simulation setups.In the scope of this thesis, these challenges have been addressed by developing the general simulation framework GODDeSS. It is an extension of the particle-physics simulation tool Geant4 and allows for the easy simulation of optical detector components, especially combinations of scintillators, optical fibres, and photodetectors. To achieve this, the creation of simulated setups is automated as much as possible: The material properties of the optical detector components are specified via easy-to-read text files and new object classes allow for an easy creation of scintillator tiles, optical fibres, reflective wrappings and paints, and photodetectors with basically a single line of code per created object. This results in an increase of flexibility and at the same time in a reduction of complexity. The user can create extensive setups within a few lines of code and typical mistakes are avoided, as the peculiarities of Geant4 regarding the configuration of the optical physics processes are treated automatically by the GODDeSS framework. All this makes GODDeSS an excellent approach to simplify the detailed simulations of optical detector components, which are necessary for designing modern particle detectors and for understanding their response. This thesis introduces the GODDeSS framework, its classes, and its functionality. Furthermore, the extensive efforts to validate it against manufacturer data as well as against test measurements with prototype setups will be presented. Additionally, detailed simulations have been performed in order to investigate the optical properties of optical fibres and of the characteristics of the response of detector modules.

OpenAccess:
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