Inorganic single crystalline fibers for dual-readout calorimetry

• Main Author: Pauwels, Kristof
• Other Authors: Lyon 1
• Language: en
• Published: 2013
• Subjects: Calorimétrie; LuAG; Cherenkov; Scintillation; Scintillateurs; Fibre; Calorimetry; Scintillators; Fiber; 536
• Online Access: http://www.theses.fr/2013LYO10017/document

L'amélioration de la résolution en énergie des calorimètres hadroniques est adressée dans cette thèse. L'approche envisagée se base sur la technique du dual-readout qui consiste à détecter simultanément les radiations Cherenkov et la scintillation. La comparaison de ces deux signaux permet en effet de compenser les fluctuations observées dans la détection de gerbes hadroniques. Les grenats d'Aluminium et de Lutetium (LuAG), qui sont d'efficaces scintillateurs une fois activés avec des terres rares, peuvent aussi jouer le rôle de radiateur Cherenkov sous leur forme non-dopée. Les deux types de matériaux peuvent alors être assemblés pour former un calorimètre dual-readout performant. Dans l'objectif d'étudier la faisabilité de ce concept, les effets de la concentration en dopant et de l'addition de divers codopants sur le rendement lumineux et les propriétés temporelles ont été étudiés. Nous avons montré le rôle important de la technique de croissance choisie sur la nature et la concentration des défauts structuraux. La géométrie optimale, qui se base sur des monocristaux en forme de fibres, donne l'avantage à la technique de micro-pulling down. Cette technologie ne montre pas de meilleurs résultats que les techniques de Bridgman et de Czochralski mais a été retenue pour des raisons de coût et d'adaptabilité pour une production à grande échelle. L'optimisation des paramètres de croissance a permis la production de fibres monocristallines de LuAG dopées avec du Cérium présentant un rendement lumineux de 8000 photons par MeV et un bon comportement en tant que guide de lumière grâce à une qualité optique bien maitrisée. Des tests avec des faisceaux d'électrons et de pions, en conditions de calorimétrie à haute énergie, permettent désormais d'envisager la production d'un prototype à plus grande échelle === This thesis focuses on the improvement of the energy resolution of hadron calorimeters. The approach is based on dual-readout, which consists in the simultaneous detection of both scintillation and Cherenkov light. The comparison of these two signals allows a compensation of the energy fluctuations, which are inherent to the detection of hadronic showers. Lutetium Aluminium garnets (LuAG), which are efficient scintillators when activated with rare-earth dopants (i.e. Cerium), can also act as Cherenkov radiators when undoped. Both undoped and doped crystals can then be assembled to build an efficient dual-readout calorimeter. With the objective to investigate the feasibility of this concept, the effects of the doping concentration and the use of various co-dopant on the light output and the timing properties of LuAG were studied. The growth method was demonstrated to induce significant differences in the nature and concentration of structural defects. The optimum geometry, which is based on singlecrystals shaped into fibers, favors the micro-pulling down technique. This technology does not outperform Bridgman and Czochralski techniques but was chosen on bases of cost considerations and large scale productions abilities. The optimization of the growth parameters led to the production of single-crystalline fibers of Cerium-doped LuAG with a light output of 8000 photons per MeV and an adequate behavior as light guide due to a well-controlled optical quality. Test with electrons and pions in high energy calorimetry conditions allow to engage a future production of a larger-scale prototype