Thesis

Geant4-Simulationen zur ortsabhängigen Antwortfunktion eines HPGe-Detektors
Weckmann, A. , Master Thesis, TU Darmstadt, January 2013

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, ob es möglich ist, ohne spezifi- sche Vorkenntnisse über einen Detektor dessen Ausgangssignal qualitativ und quantitativ mit Geant4-Monte Carlo-Simulationen zu bestimmen. Auf die Verwendung von sogenannten "fudge- Faktoren", das Anpassen der Simulation an das Experiment über Parameter, soll bewusst verzich- tet werden. Stattdessen dienen nur die grundlegenden Informationen über den Detektoraufbau sowie dessen Materialien und die Messumgebung als Ausgangspunkte für die Simulationen. Die ortsabhängigen Spektren zweier HPGe-Detektoren (koaxial und planar) werden mit Eich- quellen, 207 Bi und 133 Ba, gemessen und mit den Simulationen dieser Experimente verglichen. Außerdem erfolgen Vergleiche zwischen gemessenen und simulierten Spektren. Es stellt sich heraus, dass die Simulationen weder für Peakhöhen noch Comptonkantenverläufe verlässliche quantitative Ergebnisse liefern, sondern jene je nach Detektor um einem Faktor 1,4 bis 3 von den Messungen abweichen. Die Verwendung von Geant4 zur Gewinnung eines aussagekräf- tigen Detektorausgangssignals setzt also vor allem im niederenergetischen Bereich von 10 bis 100 keV eine sehr detaillierte Vorkenntnis über den Detektor und die involvierten physikalischen Prozesse voraus.

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Studies on the Background of the Wide Field Imager aboard the IXO and ATHENA X-Ray Telescopes
Hauf, S. , Doktorarbeit, TU Darmstadt, September 2012

The planned International X-ray Observatory (IXO) was the designated successor to the extremely suc- cessful XMM Newton and Chandra X-ray observatories. Aiming to provide high sensitivity, high spatial, spectral and timing resolution observations in the 0.1 keV - 40 keV energy range, the mission would have greatly extended our knowledge of the universe. The international project was canceled due to the pullout of NASA in 2010. Subsequently, ESA pursued an European-only mission: A Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA). Both missions foresaw the use of a DePFET-based Wide Field Imager (WFI) for spectroscopic imag- ing observations in the energy range between 0.1 keV - 15 keV. The WFI would offer a high quan- tum efficiency, high spatial (≤ 10arcsec), moderate spectral (ΔE ≈ 70eV@1keV) and high timing resolution (< 20μs) for imaging observations. The planned high sensitivity of ≈ 10-17 erg cm-2 s-1 for a 100ks observation translates into a maximum cosmic particle-induced background rate of ≈ 10-4 cts keV-1 cm-2 s-1 - 10-3 cts keV-1 cm-2 s-1. A rate which at the second Lagrangian point of the Earth-Sun system is only feasible if an optimized shielding concept and efficient background detection and reduction algorithms are employed. The study and optimization of these background reduction con- cepts, using a Geant4 Monte-Carlo simulation and the accompanying software development, is the core topic of this work. After an introduction to X-ray astronomy in which the requirements for a next-generation X-ray ob- servatory are discussed and an overview of the IXO and ATHENA missions is given the simulation envi- ronment and the Geant4 Monte-Carlo toolkit are introduced. In the course of doing so the requirements for the simulation are defined and it is asserted that the radioactive decay simulation of Geant4 does not provide adequate functionality for an X-ray astronomy application. In particular, it is found that the code is not well verified and validated and that an appropriate means of simulating the cosmic-ray induced delayed background is not provided. As a response to this problem an extensive verification and self-consistent validation effort on radioactive decays in Geant4 was undertaken which has resulted in a new radioactive decay code for Geant4. This software is more accurate and significantly faster than the existing code. It includes a novel statistical sampling approach which appreciates the fact that for most experiments radioactive decays and the resulting radiation are a statistical observable. Furthermore, a self-consistent long-term activation simulation which requires minimal user input is included. The new code was extensively verified with Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF) data and validated with High Purity Germanium (HPGe) detector measurements. As a concrete application example this code was included into the IXO/ATHENA simulation environ- ment. Using this environment which was validated with XMM Newton EPIC-pn background measure- ments and cosmic ray activation measurements from the Space Shuttle STS-53 mission an extensive characterization of the prompt and delayed on-orbit background was performed. These studies resulted in an optimized graded-Z shielding design which is needed for a fluorescence emission free background; flexible pattern detection and rejection algorithms with > 99% rejection efficiency; as well as a novel approach utilizing an electric field to accelerate secondary electrons to energies above the detection limit thereby additionally reducing the background by ≈ 50%. In conclusion, a background estimate of (6.42 ± 2.03) × 10-4 cts keV-1 cm-2 s-1 has been obtained for the ATHENA WFI. If a 200 kV cm-1 accelerating field is used a lower rate of (2.70 ± 2.67) × 10-4 cts keV-1 cm-2 s-1 can be achieved. The contribution of the delayed background component was estimated at (0.21 ± 0.05) × 10-4 cts keV-1 cm-2 s-1 after a 10 year mission time. All rates are within the WFI background requirements. The background studies reported upon in the work are deemed applicable and beneficial for a wide range of silicon pixel detector applications. The code development work which has resulted in a new radioactive decay simulation for Geant is considered useful for an even broader range of experiments including applications in low background detectors, material sciences, radiation safety, nuclear non- proliferation studies, medical physics and homeland security.

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A FS pn-CCD detector for low background applications such as CAST
Lang, P.-M. , Master Thesis, TU Darmstadt, December 2010

In experiments with a very low event rate, background is always a factor to be considered and hopefully to be reduced to get a clear signal. An example of such an experiment is the CAST experiment which searches for axions, possible candidates for dark matter. This thesis gives an overview on the development of a new Framestore pn-CCD detector to fit the requirements of such experiments. General material composition and the working principle of a Graded-Z shielding concept for such a detector are explained. Exemplary simulations of such a shield and first test results for the detector′s vacuum and cooling systems are presented as well.

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CAST-Skysurvey: Modellierung von Stellaren Axionflüssen
Nowakowski, D. , Bachelor Thesis, TU Darmstadt, Oktober, 2009

Bisher wurde die Sonne als primäre Quelle mit dem CAST-Experiment beobachtet, um von dort eintreffende Axionen nachzuweisen. Um gleichzeitig Hintergrund-Signale und potentielle Axionen-Signale detektieren zu können und damit die Wahrscheinlichkeit für den Nachweis dieser hypothetischen Elementarteilchen zu erhöhen, werden in dieser Arbeit weitere stellare Axionen-Quellen bei der Auswertung berücksichtigt. Dazu werden Hintergrund-Daten, also Daten, bei denen das Experiment nicht auf die Sonne ausgerichtet war, genutzt. Für die Hintergrund-Messung herrschen bis auf Ausnahmen die gleichen Bedingungen, wie bei der Beobachtung der Sonne. Es sollte damit während dieser Zeit möglich sein, Axionen nachzuweisen, die nicht von der Sonne, sondern von stellaren Quellen, stammen. Für die direkte Detektion von solchen extrasolaren Axionen ist es nötig die beobachteten galaktischen Objekte zu identifizieren bzw. die Abdeckung der galaktischen Ebene durch das CERN Axion Solar Telescope zu bestimmen und den von ihnen stammenden Axionenfluss zu ermitteln. Der von den astronomischen Objekten stammende Fluss muss dabei bekannt sein, um durch experimentellen Beobachtungen eines Objekts auf Axionen bzw. ein oberes Limit für deren Kopplungsstärke an Photonen schließen zu können. In dieser Arbeit werden dazu theoretische Überlegungen und Rechnungen angestellt, um jedem beobachteten Stern einen Axionenfluss zuordnen zu können.

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Simulation on the SIMBOL-X Detector Background
Hauf, S. , Master Thesis, TU Darmstadt, March, 2009

Based on the GEANT4 tool kit, Monte Carlo simulations of the SIMBOL-X on orbit background with the goal of evaluating the achievable detector sensitivity are computed. The simulated geometry is based on structural design models of the mirror and detector spacecraft and features pixel detector layout and modelling of the on-satellite data treatment. Using the characterisation of the instrument response to the diffuse hard X-ray and cosmic ray proton background, optimisations of the structural layout and data processing are developed, with respect to minimizing the background rates and the anticoincidence induced detector dead time.

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Reprocessing of X-rays in the Binary Her X-1/HZ Her
Kühnel, M. , Bachelor Thesis, TU Darmstadt, May, 2009

In this thesis the optical variability of the binary Hercules X-1/HZ Herculis is examined. This system contains a blue variable star and a neutron star and is one of the best understood X-ray binaries. The aim of this work is to find optical pulsations of HZ Herculis which are driven by X-rays emitted by the neutron star. Using data recorded in 2001 and the Epoch Folding technique a pulse period of nearly 1.2377 s (Klochkov et al., 2008) is confirmed. By comparing the detected pulses with the calculated Doppler shifted period in dependence of the systems orbital phase, HZ Herculis and not the neutron star or accretion disc is verified as the pulse source. This is in agreement with the observations by Middleditch and Nelson (1976).

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Suche nach Solaren Axionen mit dem Röntgenteleskop des CAST Experiments (Phase II)
Nordt, A. , Doktorarbeit, TU Darmstadt, September, 2008

The CAST (CERN Solar Axion Telescope) experiment is searching for solar axions by their conversion into photons inside a transverse magnetic field. So far, no solar axionsignal has been detected, but a new upper limit could be given (CAST Phase I). Since 2005, CAST entered in its second phase where it operates with a buffer gas (4He) in the conversion region to extend the sensitivity of the experiment to higher axionmasses. For the first time it is possible to enter the theoretically favored axion massrange and to give an upper limit for this solar axion massrange (>0.02 eV). This thesis is about the analysis of the X-ray telescope data Phase II with 4He inside the magnet. The result for the coupling constant of axions to photons is: g<1.6-6.0x10-10 GeV-1 (95% C.L.) for ma=0.02-0.4 eV. This result is better than any result that has been given before in this mass range for solar axions.

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Energiekalibration des pn-CCD Detektors des CERN Axion Solar Telescope CAST
Lang, P. , Bachelor Thesis, TU Darmstadt, August, 2008

Seit 2002 ist CAST-Experiment am CERN1 in Betrieb. Das CERN Solar Axion Telescope (CAST) soll ein neues Teilchen, das Axion, nachweisen, das das CP-Problemder starkenWechselwirkung löst und unter anderemdurch den Primakoff- Effekt unter anderem in der Sonne entstehen könnte. Das CAST-Experiment nutzt dabei den inversen Primakoff-Effekt aus, der besagt, dass sich ein Axion in Anwesenheit eines starken transversalen Magnetfeldes in ein Röntgenphoton umwandeln kann. Das Magnetfeld wird dabei durch einen Prototypen eines supraleitenden LHC2-Magneten erzeugt. Die Röntgenquanten können nun mit Hilfe verschiedener Detektoren nachgewiesen werden. Einer davon ist ein pn- CCD-Detektor (Charge Coupled Device). Dieser liefert, wie andere Detektoren auch, die gemessenen Energien in Einheiten von Detektorkanälen, also Analog Digital Units (ADU). Diese können erst basierend auf den Ergebnissen einer Energiekalibration in Photonenenergien in keV umgerechnet werden. Da 2008 ein neuer CCD-Chip als zuvor zum Einsatz kam, muss die Kalibration, die bereits 2006 einmal durchgeführt wurde, nun wiederholt werden.

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Aufbau und Weiterentwicklung eines Mikrokanalplattendetektors für den Einsatz in einem Photoregenerationsexperiment
Schröder, F. , Diplomarbeit, TU Darmstadt, May, 2007

Auf der Basis eines bestehenden Detektorsystems des Instituts für Astronomie und Astrophysik Tübingen wurde am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt ein Mikrokanalplatten (MCP)-Detektor aufgebaut und in Betrieb genommen. Hierfür mussten unter anderem Teile der Detektorelektronik neu entwickelt und eine Vakuumanlage installiert werden. Außerdem wurde die Datenerfassungssoftware des Detektors so verbessert, dass Einzelphotonenereignisse erfasst werden können. Für die Weiterverarbeitung und Auswertung solcher Messungen von Einzelphotonen wurden zahlreiche Routinen geschrieben und anhand von Testmessungen überprüft. Darüber hinaus geben diese Testmessungen Aufschluss über teilweise zuvor nicht bekannte Eigenschaften des Detektorsystems. Die verbesserte Software ermöglicht den Einsatz des MCP-Detektors im Photoregenerationsexperiment APFEL (Axion-Production at a Free-Electron-Laser). Dabei durchdringt ein ultravioletter Laserstrahl im Vakuum ein Dipolmagnetfeld, bevor er von einer Wand absorbiert wird. Sollten sich im Magnetfeld einige Photonen des Lasers in Axionen oder Axionen-ähnliche Teilchen umwandeln, so können diese die Wand durchdringen und mit einer geringen Wahrscheinlichkeit in einem weiteren Dipolmagnetfeld hinter der Wand in Photonen zurückkonvertiert werden. Durch die Suche nach solchen regenerierten Photonen lässt sich eine mögliche Interpretation der Resultate des PVLAS (Polarizzazione del Vuoto con LASer)-Experiments testen, nämlich die Existenz Axionen-ähnlicher Teilchen mit einer Masse ma ≈ 1,25 meV und Kopplungsstärke gaγγ ≈ 3x10−6 GeV−1, was mit anderen Experimenten und astrophysikalischen Grenzen nur schwer in Einklang zu bringen ist.

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Temperature-Measurements of the Intergalactic Medium in Virgo Cluster
Hauf, S. , Bachelor Thesis, TU Darmstadt, May, 2007

This project is about the intra cluster medium in the Virgo cluster of galaxies. Virgo is the cluster located closest to us. Determining a proper distance from Earth has not yet been achieved, its close proximity does not allow a distance measurement via redshift since some of the galaxies within it even have a relative velocity pointing toward us. Other measurements involving various methods such as the Tully-Fisher relation Fukugita M. Okamura (1993),Okamura (1997) or by magnitude Sandage (1998) derived distances ranging between 12 and 30 Mpc and being elongated along the line of sight. All these measurements still have a large uncertainty but the average distance can be approximated to be around 20 Mpc. Being so close the Virgo Cluster covers a fairly large region of the visible sky with an angular extent of around 6 in radius. In the optical it is cataloged to contain 2096 galaxies distributed over an area of ≈140deg2 and centered at α≈12h15m and δ≈13 Matsumoto (2000). It’s gravitational center is near M87 which is by far the largest galaxy within the cluster. This paper compares ICM temperatures obtained previously by X-ray spectral fitting to such obtained using the much higher resolution data from the Chandra satellite. The data used is based on previous observations which did not have the aim of examining the ICM gas. Thus only a small region around the galaxies on which the observations were centered on is analyzed. Throughout this paper the distance of Virgo is assumed to be 20Mpc with zero redshift.

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Entwicklung einer hochempfindlichen, rauscharmen MCP-Kamera zum Nachweis von Pseudoskalaran (Axionen)
Gerhard, S. , Diplomarbeit, TU Darmstadt, February, 2007

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist eine allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung, dennoch gibt es auch in der QCD einige offene Fragen. So bestätigen Experimente die CP-Symmetrie der Elektroschwachen Theorie beim Zerfall des Kaons. Diese CP-Verletzung wird auch von der QCD vorhergesagt, doch gibt es bislang noch keine experimentelle Bestätigung dazu. Die eleganteste Lösung des CP Problems der starken Wechselwirkung ist ein hypothetisches Teilchen, das Axion, das von Peccei und Quinn vorgeschlagen wurde (Peccei and Quinn, 1977). [...] PVLAS, wurde eigentlich dazu entwickelt, um Quantenfluktuationen im Vakuum zu detektieren. In diesem Experiment wird ein Nd:YAG Laser durch ein Vakuum geschickt, um das ein rotierendes Magnetfeld mit 6.5 T aufgebaut ist. Dabei wird die Änderung der Polarisation der Photonen gemessen. Wird das Signal als Umwandlung von Photonen zu Axion-Ähnlichen-Teilchen (Axion-Like-Particle ALP) interpretiert, würde das eine Kopplungskonstante von gaγγ ≈ (1.6 - 5) x 10−6 GeV−1 für die Masse ma ≈ 10−3 eV ergeben. Dies steht im Widerspruch zum CAST Experiment und anderen bekannten Experimenten, die diesen Massenbereich vollkommen ausschließen. Um das Ergebnis von PVLAS zu überprüfen, wird ein modellunabhängiges Experiment benötigt, weshalb in Hamburg am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) das Photonen Regenerationsexperiment "Axion Production at Free Electron Laser" (APFEL), auch "shining light through wall"-Experiment genannt, vorgeschlagen wurde. Bei diesem Experiment werden die ALP´s - sofern sie existieren - über den Primakoff-Effekt selbst hergestellt, indem ein Laser durch ein starkes Magnetfeld scheint. [...] Da die einzelnen Laserpulse im Nanosekundenbereich liegen, wird ein Detektor mit einer sehr kurzen Ansprechzeit benötigt. Die letzte wichtige Anforderung ist ein sehr niedriger Hintergrund von 2 x 10−2 cts/s pro 3.14 cm2, dem Querschnitt des Laserstrahls (priv.comm. A.Ringwald). In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines solchen speziellen rauscharmen Mikro-Kanal-Platten (MCP)-Detektors beschrieben. Dieser basiert auf dem, in der Orbiting and Retrievable Far and Extreme Ultraviolet Spectrometer (ORFEUS)-Mission eingesetztem MCP-Detektor.

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Simulation der Refraktion im Konversionsvolumen des CERN Axion Solar Telescope (CAST)
Weber, D. , Bachelor Thesis, TU Darmstadt, September, 2006

Das Axion ist eine Konsequenz des sogenannten CP-Problems der starken Wechselwirkung. Die Theorie der starken Wechselwirkung sagt, dass die CP-Symmetrie unter starker Wechselwirkung verletzt wird. Zur Lösung dieses Problems wurde von Peccei und Quinn eine neue Symmetrie eingeführt. Diese ist verknüpft mit einem Boson sehr geringer Masse, dem Axion (Peccei and Quinn, 1977; Wilczek, 1978; Weinberg, 1978). Das Axion wechselwirkt sehr schwach mit Materie und ist daher schwer zu detektieren. Axionen sind interessant, da sie einer der Kandidaten für dunkle Materie sind. Ein Ort, an dem Axionen produziert werden könnten, ist die Sonne. Dort kann aus einem Photon und dem virtuellen Photon eines elektromagnetischen Feldes ein Axion entstehen. Dies wird Primakoffeffekt genannt. Diese solaren Axionen sollen basierend auf dem Helioskop-Prinzip (van Bibber et al., 1989; Sikivie, 1983) am CAST Experiment nachgewiesen werden (Zioutas et al., 1999). [...] Phase II des CAST Experiments sieht [...] eine Füllung der Magnetröhre mit Heliumgas vor, um die Kohärenzbedingung für andere Axionmassen erfüllen zu können. Vor dem Start wurde das Experiment nochmals vermessen, um eventuelle Änderungen durch die Modifikationen zu erkennen. Insbesondere wurde ein Laserstrahl durch das Konversionsvolumen geschickt um die Position des CCD Detektors zu überprüfen. Dabei wurde festgestellt, dass die Position des Laserstrahls in vertikaler Richtung von der erwarteten Position abwich. Weitere Messungen ergaben jedoch, dass die Position des Röntgenteleskops und des CCD-Detektors unverändert waren. Der Laserstrahl erfährt demnach in der Röhre eine Ablenkung, die dazu führt, dass der Strahl nach dem Durchqueren um zirka 2mm verschoben auftrifft. Als Ursache einer solchen Ablenkung kommen unterschiedliche Brechungsindizes im Konversionsvolumen in Frage. Der Brechungsindex eines Gases ist mit der Dichte beziehungsweise mit der Temperatur und dem Druck verknüpft. In dieser Arbeit soll durch verschiedene Simulationen unter Berücksichtigung der Druck- und Temperaturverhältnisse im Gasvolumen des CAST Experiments eine Erkläarung für die beobachtete Ablenkung gefunden werden. Diese Simulationen können auch zur Entwicklung eines Verfahrens der Dichtebestimmung mithilfe eines Laserstrahls hilfreich sein.

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Bestimmung der Energiekalibration des pn-CCD Detektors von CAST
Hoffmeister, G. , Master Thesis, TU Darmstadt, July, 2006

Bei Axionen handelt es sich um schwach wechselwirkende Teilchen geringer Masse. In bestimmtem Parameterbereich von 10−6 bis 10−2 eV können Axionen Kandidaten für Dunkle Materie sein. Sie ähneln in ihren Eigenschaften den neutralen Pionen und werden postuliert, um das CP-Problem der starken Wechselwirkung zu lösen. Das CERN Axion Solar Telescope (CAST) am Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) in Genf sucht mit einem supraleitenden Large Hadron Collider-Magneten (LHC) indirekt nach solaren Axionen. Der Magnet wird auf die Sonne ausgerichtet, die als Axionenquelle dient. Über den Primakoff-Effekt können Photonen in der Sonne durch das dort herrschende elektromagnetische Feld in Axionen umgewandelt werden. Im starken Magnetfeld des CAST-Magneten kann der inverse Primakoff-Effekt stattfinden. Die Axionen würden zurück zu Photonen konvertiert, welche dann detektiert werden können.

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A search for solar axions with the MICROMEGAS detector in CAST
Dafni, T. , Doktorarbeit, TU Darmstadt, April, 2005

The CAST Experiment completed its first phase in the end of 2004, after having run successfully for two years. The results of the data analysis of the Micromegas detector at CAST for 2003 and a first result of 2004 are presented here. This experiment has a sensitivity of almost a factor 100 better compared with previous searches. The coupling constant of axions of mass up to 0.02 eV to photons has been restricted with a 95% Confidence Level to gαγ ≤ 1.50 x 10-10 GeV-1 for the 2003 Micromegas detector and gαγ ≤ 1.16 x 10-10 GeV-1 after combining the result of all the detectors of the experiment. The preliminary limit acquired for the 2004 data is more strict, at gαγ ≤ 1.21 x 10-10 GeV-1 concerning the Micromegas detector.

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