{"id":9961,"date":"2025-07-30T17:02:21","date_gmt":"2025-07-30T15:02:21","guid":{"rendered":"https:\/\/cms.zdv.uni-mainz.de\/fb08-xenon-physik\/?page_id=9961"},"modified":"2026-03-30T12:04:10","modified_gmt":"2026-03-30T10:04:10","slug":"mainztpc","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/detektorentwicklung\/mainztpc\/","title":{"rendered":"MainzTPC"},"content":{"rendered":"\n<\/jgu-base-pageheader>\n\n\n \n<\/jgu-base-anchornavigation>\n\n\n
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Das MainzTPC-Experiment ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt, das sich der Untersuchung von Szintillations- und Ionisationsprozessen in fl\u00fcssigem Xenon widmet, die durch niederenergetische elektronische und nukleare R\u00fcckst\u00f6\u00dfe induziert werden. Dar\u00fcber hinaus ist die Kammer f\u00fcr eine zuk\u00fcnftige Messung des hypothetischen Migdal-Effekts in Xenon ausgelegt. Der Aufbau besteht aus einer xenongef\u00fcllten zwei Phasen Spurendriftkammer oder Zeitprojektionskammer (Englisch: Time Projection Chamber<\/em>, daher die Abk\u00fcrzung TPC<\/em>), der MainzTPC, zusammen mit ihrem umgebenden Kryosystem und einem Gasspeicher- und Reinigungssystem. Zum Aufbau geh\u00f6rt weiterhin ein Kollimator und einen Drehtisch f\u00fcr einen Germaniumdetektor, sowie spezielle Software und Elektronik. Die Software umfasst ein Slow-Control-System<\/em> zur \u00dcberwachung des Zustands der TPC (z.B. Xenontemperatur und Druck) und ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung von Messdaten. <\/p>\n\n\n\n

Die MainzTPC wurde f\u00fcr den Einsatz als prim\u00e4res Target in Compton- und Neutronenstreuexperimenten optimiert, um R\u00fccksto\u00dfenergien in fl\u00fcssigem Xenon bis hinunter zu 1 keV zu messen. Um die Mehrfachstreuung einfallender Gammastrahlen und Neutronen zu minimieren, wurde eine kleine Spurendriftkammer konstruiert. Zus\u00e4tzlich wurde die Menge an passivem Material (z. B. der Feldk\u00e4fig), welches das aktive Volumen (fl\u00fcssiges Xenon) umgibt, minimiert, um Energieverluste zu reduzieren. <\/p>\n\n\n\n \n<\/jgu-base-image>\n\n\n

Diese \u00dcberlegungen f\u00fchrten zu dem in der obigen Abbildung dargestellen Design, das sich von den wesentlich gr\u00f6\u00dferen (aber der Funktionsweise nach \u00e4hnlichen) Spurendriftkammen wie z. B. der TPC von XENONnT unterscheidet. (Eine kurze Einf\u00fchrung in XENONnT und die zwei Phasen Zeitprojektionskammern finden Sie hier<\/a>.) Anstelle eines Arrays aus mehreren Photoelektronenvervielfacher (oder: Photomultipliern) an der Ober- und Unterseite der TPC verwendet die MainzTPC jeweils einen einzelnen monolithischen Photomultiplier mit 2 Zoll (ca. 5 cm) Durchmesser auf jeder Seite des aktiven Volumens. Dieser Ansatz maximiert die Lichterfassung, indem er nicht-lichtempfindliche Bereiche vermeidet; er liefert jedoch keine Informationen f\u00fcr die XY<\/em>-Positionsrekonstruktion. Um dies zu kompensieren, wurden acht zus\u00e4tzliche Photosensoren, sogenannte Avalanche-Photodioden, entlang der Kanten der achteckigen Haltestruktur platziert, die den oberen Photomultiplier umgibt. <\/p>\n<\/div><\/div>\n<\/jgu-base-section>\n\n\n

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Aufgrund von Inkonsistenzen in der Verst\u00e4rkung der Avalanche-Photodioden erwies sich eine zuverl\u00e4ssige XY<\/em>-Positionsrekonstruktion als schwierig. Daher wird die MainzTPC derzeit umgestaltet, um die obere Anordnung aus Photomultiplier und Avalanche-Photodioden durch ein Array von Silizium-Photomultipliern (SiPMs) zu ersetzen, um die Positionsaufl\u00f6sung in X<\/em> und y<\/em> zu verbessern. Um eine pr\u00e4zise Positionsrekonstruktion sicherzustellen, die f\u00fcr eine Messung des Migdal-Effekts entscheidend ist, muss die Detektorgeometrie optimiert werden, insbesondere die Geometrie des SiPM-Arrays und des zugeh\u00f6rigen PTFE-Halters. <\/p>\n\n\n\n

Zu diesem Zweck wird eine Geant4-basierte Simulation entwickelt, um die Wechselwirkungen von niederenergetischen Neutronen mit fl\u00fcssigem Xenon zu modellieren, die Quantenausbeute der S1- und S2-Signale zu berechnen und die optische Ausbreitung dieser Photonen bis zu ihrem endg\u00fcltigen Auslesen zu simulieren. <\/p>\n\n\n\n

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Weiterhin gab es bei vorherigen Messungen mit der MainzTPC Instabilit\u00e4ten des Fl\u00fcssigkeitsstandes der TPC, deren Ursache nicht gekl\u00e4rt werden konnte. Um diesen Instabilit\u00e4ten auf den Grund zu gehen, wurde die Fl\u00fcssigikeit-Gas-Grenzfl\u00e4che des Xenons im Kryostaten mit handels\u00fcblichen Kameras beobachtet. Basierend auf diesen Beobachtungen sind Verbesserungen an den F\u00fcllstandsmessern und dem F\u00fcllstandsregelsystem geplant. <\/p>\n<\/div><\/div>\n<\/jgu-base-section>

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Das MainzTPC-Experiment ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt, das sich der Untersuchung von Szintillations- und Ionisationsprozessen in fl\u00fcssigem Xenon widmet, die durch niederenergetische elektronische und nukleare R\u00fcckst\u00f6\u00dfe induziert werden. Dar\u00fcber hinaus ist die Kammer f\u00fcr eine zuk\u00fcnftige Messung des hypothetischen Migdal-Effekts in Xenon ausgelegt. Der Aufbau besteht aus einer xenongef\u00fcllten zwei Phasen Spurendriftkammer oder Zeitprojektionskammer (Englisch: Time Projection Chamber<\/em>, daher die Abk\u00fcrzung TPC<\/em>), der MainzTPC, zusammen mit ihrem umgebenden Kryosystem und einem Gasspeicher- und Reinigungssystem. Zum Aufbau geh\u00f6rt weiterhin ein Kollimator und einen Drehtisch f\u00fcr einen Germaniumdetektor, sowie spezielle Software und Elektronik. Die Software umfasst ein Slow-Control-System<\/em> zur \u00dcberwachung des Zustands der TPC (z.B. Xenontemperatur und Druck) und ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung von Messdaten. <\/p>\n\n\n\n

Die MainzTPC wurde f\u00fcr den Einsatz als prim\u00e4res Target in Compton- und Neutronenstreuexperimenten optimiert, um R\u00fccksto\u00dfenergien in fl\u00fcssigem Xenon bis hinunter zu 1 keV zu messen. Um die Mehrfachstreuung einfallender Gammastrahlen und Neutronen zu minimieren, wurde eine kleine Spurendriftkammer konstruiert. Zus\u00e4tzlich wurde die Menge an passivem Material (z. B. der Feldk\u00e4fig), welches das aktive Volumen (fl\u00fcssiges Xenon) umgibt, minimiert, um Energieverluste zu reduzieren. <\/p>\n\n\n\n\n\n

Diese \u00dcberlegungen f\u00fchrten zu dem in der obigen Abbildung dargestellen Design, das sich von den wesentlich gr\u00f6\u00dferen (aber der Funktionsweise nach \u00e4hnlichen) Spurendriftkammen wie z. B. der TPC von XENONnT unterscheidet. (Eine kurze Einf\u00fchrung in XENONnT und die zwei Phasen Zeitprojektionskammern finden Sie hier<\/a>.) Anstelle eines Arrays aus mehreren Photoelektronenvervielfacher (oder: Photomultipliern) an der Ober- und Unterseite der TPC verwendet die MainzTPC jeweils einen einzelnen monolithischen Photomultiplier mit 2 Zoll (ca. 5 cm) Durchmesser auf jeder Seite des aktiven Volumens. Dieser Ansatz maximiert die Lichterfassung, indem er nicht-lichtempfindliche Bereiche vermeidet; er liefert jedoch keine Informationen f\u00fcr die XY<\/em>-Positionsrekonstruktion. Um dies zu kompensieren, wurden acht zus\u00e4tzliche Photosensoren, sogenannte Avalanche-Photodioden, entlang der Kanten der achteckigen Haltestruktur platziert, die den oberen Photomultiplier umgibt. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Aufgrund von Inkonsistenzen in der Verst\u00e4rkung der Avalanche-Photodioden erwies sich eine zuverl\u00e4ssige XY<\/em>-Positionsrekonstruktion als schwierig. Daher wird die MainzTPC derzeit umgestaltet, um die obere Anordnung aus Photomultiplier und Avalanche-Photodioden durch ein Array von Silizium-Photomultipliern (SiPMs) zu ersetzen, um die Positionsaufl\u00f6sung in X<\/em> und y<\/em> zu verbessern. Um eine pr\u00e4zise Positionsrekonstruktion sicherzustellen, die f\u00fcr eine Messung des Migdal-Effekts entscheidend ist, muss die Detektorgeometrie optimiert werden, insbesondere die Geometrie des SiPM-Arrays und des zugeh\u00f6rigen PTFE-Halters. <\/p>\n\n\n\n

Zu diesem Zweck wird eine Geant4-basierte Simulation entwickelt, um die Wechselwirkungen von niederenergetischen Neutronen mit fl\u00fcssigem Xenon zu modellieren, die Quantenausbeute der S1- und S2-Signale zu berechnen und die optische Ausbreitung dieser Photonen bis zu ihrem endg\u00fcltigen Auslesen zu simulieren. <\/p>\n\n\n\n

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Weiterhin gab es bei vorherigen Messungen mit der MainzTPC Instabilit\u00e4ten des Fl\u00fcssigkeitsstandes der TPC, deren Ursache nicht gekl\u00e4rt werden konnte. Um diesen Instabilit\u00e4ten auf den Grund zu gehen, wurde die Fl\u00fcssigikeit-Gas-Grenzfl\u00e4che des Xenons im Kryostaten mit handels\u00fcblichen Kameras beobachtet. Basierend auf diesen Beobachtungen sind Verbesserungen an den F\u00fcllstandsmessern und dem F\u00fcllstandsregelsystem geplant. <\/p>\n<\/div><\/div>\n","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/9961","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2001"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=9961"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/9961\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":10946,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/9961\/revisions\/10946"}],"up":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/9945"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=9961"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=9961"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=9961"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}