Universität zu Köln

Lewandowski, Lars (2020). Pulse-Shape Analysis and Position Resolution in highly segmented HPGe Detectors. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Advanced GAmma Tracking Array (AGATA) is a position sensitive gamma-ray spectrometer, consisting of highly segmented High Purity Germanium (HPGe) detectors. It relies on the Gamma-Ray Tracking (GRT), which reconstructs the path of the individual gamma rays through the array. The GRT enables the detection of gamma rays with highest efficiency and provides gamma-ray spectra with a Peak-to-Total ratio P/T which is comparable to Compton suppressed spectra. The tracking requires information on the deposited energies and interaction positions of the gamma rays. The interaction positions are derived via Pulse-Shape Analysis (PSA). The PSA utilizes the measured pre-amplified signals of the 36 segments and of the core electrode. These signals are characteristic for each interaction position. The comparison of the measured pulse shapes with reference signals provides the interaction positions of the gamma rays. The reference signals are simulated with the AGATA Detector Library (ADL) and the measured and simulated signals are compared with the AGATA adaptive grid search. In this thesis the distributions of hits, which are obtained by employing ADL and the adaptive grid search, were investigated. An unexpected clustering of hits and a surplus of hits at certain single interaction positions, which can not be explained by statistical fluctuation, were observed. In the frame of this work quantities were introduced which describe the homogeneity of the hit distributions as well as the correlation of the number of hits of neighboring grid points. The obtained results confirm that the hit distributions are less homogeneous than expected and that the number of hits in neighboring grid points are correlated. These observations motivated an in-depth study of the PSA and its results. The pulse shapes simulated with ADL were analyzed in detail and compared with the corresponding measured signals. Systematic deviations of measured and simulated signals were determined and possible solutions are discussed. In particular, the T(10-90) rise times of the pulse shapes and the evolution of the difference of measured and simulated signals during the process of charge collection were inspected. The adaptive grid search determines the best fitting reference signal by minimizing a figure of merit. The working principle of the adaptive grid search and its results were investigated in detail. The impact of employing different figures of merit on the PSA is discussed. Results regarding the position sensitivity, which were extracted from an inspection of the figure of merit landscape, are presented. The strong position dependence of the pulse shapes affects the determination of the starting time T0, when using leading edge or Constant-Fraction Discriminator (CFD) algorithms. An energy and position independent T0-determination method is discussed and compared to the CFD timing. In the second part of this thesis the beta+ decay of 22Na was utilized to determine the PSA performance. The emitted positron annihilates with an electron at the source position and the two created 511 keV gamma rays were detected with the AGATA spectrometer. The agreement of the measured interaction positions with the expected 180 degree correlation was used to assess the PSA performance and to estimate the position resolution. Parameters which are relevant for the shape of the reference signals or the working principle of the grid-search algorithm were investigated and optimized in a systematic study. These parameters were optimized by maximizing the agreement of the determined interaction positions of the 511 keV gamma rays with the expectation. In particular the distance of the lines, which connect the 511 keV coincidences, to the source position was minimized. The important input quantities for the pulse shapes are the transfer function of the preamplifiers, the hole mobility and the electron mobility. The working principle of the grid search was improved by determining the optimal distance metric and introducing weighting coefficients which increase the contribution of the transient signals in the figure of merit calculation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Advanced GAmma Tracking Array (AGATA) ist ein ortsauflösendes Spektrometer für Gammaquanten, welches aus hochsegmentierten, hochreinen Germaniumdetektoren besteht. Es basiert auf dem Gamma-Ray-Tracking (GRT), welches den Pfad der einzelnen Gammaquanten durch das Array rekonstruiert. Das GRT ermöglicht die Detektion von Gammaquanten mit höchster Effizienz und bietet Gammaspektren mit einem Peak-to-Total-Verhältnis P/T, welches vergleichbar mit Compton unterdrückten Spektren ist. Das Tracking benötigt Informationen über die Wechselwirkungsorte der Gammaquanten und die Höhe der dort deponierten Energien. Die Wechselwirkungsorte werden mit Hilfe von Pulse-Shape-Analyse (PSA) bestimmt. Die PSA verwendet die gemessenen Vorverstärker-Signale der 36 Segmente und der Core-Elektrode. Diese Signale sind charakteristisch für jeden Wechselwirkungsort. Der Vergleich der gemessenen Impulsformen mit Referenzsignalen liefert die Wechselwirkungsorte der Gammaquanten. Die Referenzsignale werden mit der AGATA-Detector-Library simuliert und die gemessenen und simulierten Signale werden mit dem AGATA Adaptive-Grid-Search verglichen. In dieser Dissertation wurden die Verteilungen der Wechselwirkungsorte, welche mit ADL und dem Adaptive-Grid-Search erzeugt wurden, untersucht. Eine nicht erwartete Anhäufung von Wechselwirkungen und ein Überschuss an Treffern an bestimmten einzelnen Wechselwirkungsorten, welcher nicht durch statistische Fluktuation erklärt werden kann, wurden beobachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Größen eingeführt, welche sowohl die Homogenität der Verteilungen der Wechselwirkungsorte als auch die Korrelation der Anzahl der Treffer von benachbarten Wechselwirkungsorten beschreiben. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Verteilungen der Wechselwirkungsorte weniger homogen sind als erwartet und dass eine Korrelation zwischen der Anzahl der Wechselwirkungen von benachbarten Wechselwirkungsorten besteht. Diese Beobachtungen motivierten eine detaillierte Studie der PSA und ihrer Ergebnisse. Die mit ADL simulierten Impulsformen wurden im Detail analysiert und mit den entsprechenden gemessenen Signalen verglichen. Systematische Abweichungen zwischen gemessenen und simulierten Signalen wurden bestimmt und mögliche Lösungen werden diskutiert. Insbesondere wurden die T(10-90) Anstiegszeiten der Impulsformen und die Evolution der Differenz zwischen gemessenen und simulierten Signalen während der Ladungssammlung untersucht. Der Adaptive-Grid-Search bestimmt die beste Übereinstimmung zwischen Referenz- und Messsignal, indem für jeden Wechselwirkungsort eine Gütezahl berechnet und diese dann minimiert wird. Die Funktionsweise des Adaptive-Grid-Search und seine Ergebnisse wurden im Detail untersucht. Die Auswirkung der Verwendung von verschiedenen Methoden zur Berechnung der Gütezahl wird diskutiert. Ergebnisse bezüglich der Ortssensitivität, welche anhand einer Untersuchung der Gütezahlen für verschiedene Wechselwirkungsorte bestimmt wurde, werden präsentiert. Die starke Ortsabhängikeit der Impulsformen beeinflusst die Bestimmung der Startzeit T0 eines Signals, wenn Leading-Edge- oder Constant-Fraction-Discriminator-Algorithmen (CFD) verwendet werden. Ein energie- und positionsunabhängiges Verfahren zur T0-Bestimmung wird diskutiert und mit einem CFD-Timing verglichen. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde der Beta+ -Zerfall von 22Na genutzt, um die Leistungsfähigkeit der PSA zu bestimmen. Das emittierte Positron annihiliert mit einem Elektron nahe der Quellposition und die erzeugten 511 keV Gammaquanten wurden mit dem AGATA Spektrometer detektiert. Die Übereinstimmung der gemessenen Interaktionspunkte mit der erwarteten 180 Grad Korrelation wurde genutzt, um die Leistungsfähigkeit der PSA zu evaluieren und die Ortsauflösung zu bestimmen. Parameter, welche relevant für die Form der Referenzsignale oder für die Funktionsweise des Adaptive-Grid-Search sind, wurden in einer systematischen Studie untersucht und optimiert. Diese Parameter wurden optimiert, indem die Übereinstimmung der Wechselwirkungsorte der 511 keV Gammaquanten mit der Erwartung maximiert wurde. Im Speziellen wurde der Abstand der Linien, welche die 511 keV Koinzidenzen verbinden, zur Quellposition minimiert. Die wichtigen Größen, welche in die Impulsformen eingehen, sind die Transferfunktion der Vorverstärker, die Löchermobilität und die Elektronenmobilität. Die Funktionsweise des Adaptive-Grid-Search wurde verbessert, indem die optimale Abstandsmetrik bestimmt und Gewichtungskoeffizienten eingeführt wurden, welche den Beitrag der transienten Signale in der Berechnung der Gütezahl erhöhen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Lewandowski, Lars lew@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-113855
Date:	July 2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Gamma-ray tracking English AGATA English HPGe detector English
Date of oral exam:	13 May 2020
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11385