KIP-Veröffentlichungen

Zusammenfassung

Das Mu3e-Experiment zielt darauf ab, den hochgradig unterdrückten geladenen Lepton Flavor Violation (cLFV) Zerfallsprozess μ→eee mit einer Empfindlichkeit von 10^-16 zu suchen, die vier Größenordnungen besser ist als die aktuelle Ausschlussgrenze. Der Tile Detector, bestehend aus Szintillationstiles und Silizium-Photomultipliern (SiPMs), ist darauf ausgelegt, die genauesten Zeitmessungen mit einer Auflösung von <100 ps und einer Effizienz nahe 100 % zu liefern, welches eine entscheidende Rolle bei der Unterdrückung zufälliger Hintergründe spielt.

Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der Auswirkungen von Strahlenschäden auf den Tile Detector, wobei der Schwerpunkt auf der strahlungsempfindlichsten Komponente, dem SiPM, liegt. Die Strahlungsumgebung im Mu3e-Experiment wurde mithilfe der GEANT4-Simulation abgeschätzt und ein Strahlenschädigungstest der Tile Detector Matrizen wurde unter Verwendung derselben Strahllinie wie im eigentlichen Mu3e-Experiment durchgeführt und erreichte 70 % der maximalen Dosis. Eine umfassende Charakterisierung im Labor wurde durchgeführt, um die Auswirkungen auf SiPMs zu bewerten, insbesondere das Rauschen der bestrahlten SiPMs, das im Frequenzbereich analysiert wurde. Die Leistungscharakterisierung im Strahlentest zeigt, dass eine Zeitauflösung von besser als 60 ps und eine Effizienz nahe 100 % mit geeigneter Signalausleseelektronik erreicht werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der Strahlenstudie wurden Änderungen für das derzeitige Tile Detector-Stützsystem und die Signalausleseelektronik vorgeschlagen, um die optimale Leistung trotz Strahlenschäden aufrechtzuerhalten.

The Mu3e experiment aims to search for the highly suppressed charged Lepton Flavor Violation (cLFV) decay process  μ→eee with a sensitivity of 10^-16, which is four orders of magnitude better than the current exclusion limit. The Tile Detector, composed of scintillation tiles and Silicon Photomultipliers (SiPMs), is designed to provide the most accurate timing measurement with a resolution of <100 ps and an efficiency close to 100 %, playing a crucial role in accidental background suppression.

This thesis covers the study of the radiation damage impacts on the Tile Detector, focusing primarily on the most radiation-damage-sensitive component, the SiPM. The radiation environment in the Mu3e experiment has been estimated using a GEANT4 simulation, and a radiation damage test of the Tile Detector Matrices has been conducted at the same beamline as the actual Mu3e experiment, reaching 70 % of the maximum dose. A comprehensive laboratory characterization has been carried out to assess the impact on the SiPMs, particularly the noise of radiated SiPMs. The performance characterization in the beam-test campaign reveals that a timing resolution better than 60ps and efficiency close to 100 % can be achieved with suitable signal readout electronics. Based on the radiation study results, modifications have been suggested for the current Tile Detector support system and readout electronics to maintain optimal performance in the presence of radiation damage.