Conference Paper

Planar LAAPDs: temperature dependence, performance, and application in low energy X-ray spectroscopy

Dept. of Phys., Fribourg Univ., Switzerland;
DOI: 10.1109/NSSMIC.2004.1462445 Conference: Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, Volume: 2
Source: IEEE Xplore

ABSTRACT An experiment measuring the 2S Lamb shift in muonic hydrogen (μ-p) is being performed at the Paul Scherrer Institute (PSI), Switzerland. It requires small detectors for 1.9 keV X-rays (2P-1S transition) with an energy resolution around 25%, a time resolution better than 100 ns, a large solid angle coverage, and insensitivity to a 5 T magnetic field. We used large area avalanche photodiodes (LAAPDs) from radiation monitoring devices (RMD) for the latest data taking period in 2003. For soft X-ray spectroscopy applications, they have to be cooled, hence, a series of tests were performed to choose the optimal operation temperature. The temperature dependence of gain, energy resolution, dark current, excess noise factor, and detector response linearity was studied. Finally, details of the LAAPDs application in our experiment as well as their response to alpha particles are presented.

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    ABSTRACT: By means of pulsed laser spectroscopy applied to muonic hydrogen (μ− p) we have measured the 2SF = 11/2 – 2PF = 23/2 transition frequency to be 49881.88(76) GHz [1]. By comparing this measurement with its theoretical prediction [2, 3, 4, 5, 6, 7] based on bound-state QED we have determined a proton radius value of rp = 0.84184(67) fm. This new value differs by 5.0 standard deviations from the COD ATA value of 0.8768(69) fm [8], and 3 standard deviation from the e-p scattering results of 0.897(18) fm [9]. The observed discrepancy may arise from a computational mistake of the energy levels in μp or H, or a fundamental problem in bound-state QED, an unknown effect related to the proton or the muon, or an experimental error.
    Journal of Physics Conference Series 09/2011; 312(3):032002.
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    ABSTRACT: The Lamb-shift experiment in muonic hydrogen (μ- p) aims to measure the energy difference between the atomic levels to a precision of 30 ppm. This would allow the r.m.s. proton charge radius rp to be deduced to a precision of 10-3 and open a way to check bound-state quantum electrodynamics (QED) to a level of 10-7. The poor knowledge of the proton charge radius restricts tests of bound-state QED to the precision level of about 6 × 10-6, although the experimental data themselves (Lamb-shift in hydrogen) have reached a precision of × 10-6. Values for rp not depending on bound-state QED results from electron scattering experiments have a surprisingly large uncertainty of 2%. In our Lamb-shift experiment, low-energy negative muons are stopped in low-density hydrogen gas, where, following the μ- atomic capture and cascade, 1% of the muonic hydrogen atoms form the metastable 2S state with a lifetime of about 1 μs. A laser pulse at λ ≍ 6 μm is used to drive the 2S → 2P transition. Following the laser excitation, we observe the 1.9 keV X-ray being emitted during the subsequent de-excitation to the 1S state using large-area avalanche photodiodes. The resonance frequency and, hence, the Lamb shift and the proton charge radius are determined by measuring the intensity of the X-ray fluorescence as a function of the laser wavelength. The results of the run in December 2003 were negative but, nevertheless, promising. One by-product of the 2003 run was the first observation of the short-lived 2S component in muonic hydrogen. Currently, improvements in the laser-system, the experimental apparatus, and the data acquisition are being implemented. PACS Nos.: 36.10.Dr, 14.20.Dh, 42.62.FiNotre expérience a pour but de mesurer le déplacement de Lamb de l'hydrogène muonique (μ- p) plus précisément la différence d'énergie entre les niveaux avec une incertitude relative de 30 ppm. Ceci permettrait de déterminer le rayon r.m.s. de charge du proton rp avec une incertitude relative de 10-3 et par la suite de tester les calculs d'électrodynamiques quantiques sur des états liés avec une incertitude relative de 10-7. L'incertitude actuelle sur rp limite la précision des calculs QED des états liés à 6 × 10-6 alors que les données expérimentales (déplacement de Lamb dans l'hydrogène) sont connues avec une incertitude relative de 2 × 10-6. Les déterminations de rp indépendantes des calculs QED d'états liés provient d'expérience de diffusion d'électrons et ont une incertitude relative, étonnamment grande, de 2 %. Dans notre expérience, des muons négatifs de basse énergie sont arrêtés dans un gaz d'hydrogène de faible densité où après la capture des muons négatifs puis la cascade radiative, 1 % des atomes d'hydrogène muonique sont formés dans l'état métastable 2S de durée de vie 1 μs environ. Une impulsion laser (λ = 6 μm) induit la transition 2S → 2P. Après l'excitation laser, nous observons grâce à des photodiodes à avalanches de grande surface les rayons X à 1,9 keV émits par durant la désexcitation vers l'état 1S. La fréquence de cette résonance et donc le déplacement de Lamb et le rayon du proton sont déterminés en mesurant l'intensité de la fluorescence des rayons X en fonction de la longueur d'onde laser. Les résultats des enregistrements faits en décembre 2003 sont négatifs mais pourtant prometteurs. Ainsi, durant les enregistrements 2003, la composante de désexcitation rapide de l'état 2S a été observée pour la première fois dans l'hydrogène muonique. Actuellement, nous améliorons le système laser, le dispositif expérimental et le système d'acquisition des données.
    Canadian Journal of Physics 04/2007; 85(5):469-478. · 0.90 Impact Factor
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