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2004 Incontri di Fisica 2004: Beam Test Facility: Calibrazione e test di rivelatori Bruno Buonomo Oscar Coiro Roberto Tonus Laboratori Nazionali di Frascati.

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1 2004 Incontri di Fisica 2004: Beam Test Facility: Calibrazione e test di rivelatori Bruno Buonomo Oscar Coiro Roberto Tonus Laboratori Nazionali di Frascati Introduzione all’interazione delle particelle cariche, elettroni e fotoni con la materia, misura dell’energia Calorimetri: misura dell’energia La BTF come sorgente di elettroni di energia nota Trattazione del segnale elettrico, concetto di trigger Descrizione dell’ esperienza Elettronica LINAC

2 2004 Interazioni radiazione/materia elettroni eccitazione/ionizzazione interazione elettromagnetica particella carica

3 2004 Interazioni radiazione/materia nucleo interazione elettromagnetica particella carica ‘scattering’

4 2004 Perdita di energia per ionizzazione: dE/dx   p mc La forma caratteristica della perdita di energia per ionizzazione presenta: una discesa proporzionale a 1/   per bassi , raggiunge poi un minimo quindi risale quando le particelle diventano relativistiche (risalita relativistica); il dE/dx in realtà satura per effetti di schermo della carica atomica (plateau di Fermi) Se espressa in termini di p/m la perdita di energia per unità di lunghezza (e di densità) dE/dx non dipende dalla massa della particella ma solo dalla velocità (  ). x = s  s 

5 2004 Perdita di energia di elettroni (e positroni) fotone... ma per energie di elettroni/positroni > 10 MeV entra in gioco il fenomeno della bremsstrahlung, ovvero l’emissione di fotoni dovuta all’effetto accelerante del campo Coulombiano dei nuclei A bassa energia domina la ionizzazione... dE dx   = E X0X0 La perdita di energia per radiazione diventa praticamente proporzionale all’energia degli elettroni… X  = 180 A (g cm   Z2Z2 … e tutti i materiali si comportano allo stesso modo se lo spessore è espresso in termini della lunghezza di radiazione X 

6 2004 Perdita di energia di elettroni (e positroni)  = 550 (MeV  Z L’energia al di sotto della quale domina la perdita di energia per ionizzazione è detta energia critica ... ma per energie di elettroni/positroni > 10 MeV entra in gioco il fenomeno della bremsstrahlung, ovvero l’emissione di fotoni dovuta all’effetto accelerante del campo Coulombiano dei nuclei fotone

7 2004 Interazioni dei fotoni fotone effetto fotoelettricodiffusione Compton fotone produzione di coppie

8 2004 Lo sciame elettromagnetico produzione di coppie bremsstrahlung Ad alte energie:

9 2004 Lo sciame elettromagnetico N = Approssimazione di Rossi ‘B’: la probabilità di ionizzazione non dipende dall’energia: dE/dx =  /X 0 si trascura lo ‘scattering’ di Coulomb sui nuclei e lo sciame è trattato in una sola dimensione non si considerano altri effetti come lo ‘scattering’ Compton sugli elettroni atomici 1X 0 2X 0 3X 0 4X 0 T = in unità di X  E  In questa approssimazione la lunghezza di traccia di tutte le particelle secondarie cariche è proporzionale all’energia della particella incidente: Se il blocco di materiale è ‘attivo’ cioè è possibile rivelare l’energia depositata dalle particelle secondarie cariche quando la loro energia diventa inferiore all’energia critica, abbiamo un rivelatore in grado di misurare l’energia della particella incidente, cioè un calorimetro.

10 2004 Calorimetri: misura dell’energia Esistono 2 principali tipi di calorimetro: d segnali a ‘sampling’ (campionamento), strati di materiale assorbitore o passivo sono alternati a strati di materiale attivo. L’energia della particella incidente è proporzionale al numero di secondari N, le fluttuazioni sono proporzionali a  N, la risoluzione della misura di energia è dunque  i (E)/E  1/  E segnali omogeneo (tutto il materiale è attivo, cioè in grado di rivelare l’energia persa per ionizzazione) Alle fluttuazioni intrinseche si aggiungono quelle del numero di secondari che attraversano il materiale attivo, proporzionali al numero di ‘attraversamenti’ N x = T/d e quindi anche il termine di ‘sampling’ della risoluzione è  s (E)/E  1/  E

11 2004 Calorimetri: misura dell’energia Includendo tutte le possibili fluttuazioni, la risoluzione in energia è:  (E)/E = a/E + b/  E + c Effetti strumentali, ampiezza finita del piedistallo (termine di rumore) Fluttuazioni intrinseche dello sciame Fluttuazioni di sampling (termine statistico) Errori di calibrazione e non uniformità (termine costante) Sciame non contenuto interamente (leakage) E ,  <1/2

12 2004 Rivelatori a scintillazione Hanno essenzialmente due funzioni: convertire l’energia rilasciata da un particella ionizzante in luce visibile e trasportarla verso un dispositivo (fotomoltiplicatore, ecc…) in grado di convertirla in un segnale elettrico. Si tratta di materiali (organici o inorganici) che se eccitati dal rilascio di energia di una particella ionizzante, si diseccitano attraverso emissione di luce nel visibile Gli scintillatori inorganici ad alto Z (BGO) sono adatti anche per rivelare  Rivelatore di fotoni Gli scintillatori sono rivelatori multiuso: calorimetri misure di tempo di volo rivelatori traccianti (fibre) contatori di trigger/veto Scintillatore Particella  ionizzazione  particelle cariche  scintillazione  luce luce  effetto fotoelettrico  fotoelettroni  moltiplicazione  segnale elettrico

13 2004 Rivelatori di fotoni Involucro di vetro vuoto Fotone finestra dinodi anodo alimentatore corrente in uscita elettrodo fotocatodo partitore Multianodo PMT (PhotoMultiplier Tube) = Fotomoltiplicatore PMT Particella  ionizzazione  particelle cariche  scintillazione  luce luce  effetto fotoelettrico  fotoelettroni  moltiplicazione  segnale elettrico

14 2004 Calorimetri scintillatore guida di luce fotomoltiplicatore Pb, W, Fe, … fotodiodo cristallo (NaI, CsI, BGO, …) fibre scintillanti rivelatore a ionizzazione

15 2004 BTF DA  NE B.T.F.

16 2004 magnete a 45 0 sellettore di energia (impulso) Produzione del singolo elettrone Fascio dal LINAC MeV 1.7, 2.0, 2.3 X 0 bersaglio di spessore variabile (Cu) collimatore  E< 1% strumento da calibrare energia elettroni MeV massima frequenza 50 Hz durata dell’impulso 1-10 ns molteplicita

17 2004 Esperienza: calibrazione e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico omogeneo Parte sensibile (vetro a piombo)

18 2004 Esperienza: calibrazione e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico omogeneo fascio di e - tra MeV calibrazione risoluzione

19 2004 Bibliografia Rivelatori di particelle: R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments Articoli di rassegna (calorimetria, rivelatori di tracce, identificazione): T. Ferbel, Experimental Techniques in high-energy nuclear and particle physics Acceleratori di particelle: M. Sands, SLAC report SLAC-0121, 1970 A. W. Chao, Handbook of Accelerator Physics and Engineering

20 2004 Energia, impulso e unità di misura E   = p  c   + m   c  Energia E misurata in eV    v c  1 -    1 E  m 0  c  p  m   c    pc E impulso p misurato in eV/cmassa m  misurata in eV/c  Quanta energia è 1 eV? 1 eV = 1.6 · 10  J 1eV/ c  = 1.8 · 10  Kg m ape = 1 g = 5.8 · 10  eV/c  v ape = 1 m/s  E ape = 10  J = 6.25 · 10  eV In un “fascio” nelle macchine acceleratrici vengono ‘accumulate’ molte particelle Le particelle vengono accelerate ad energie molto maggiori della massa di riposo (ultra-relativistiche) ma... m elettrone = 5.11·10 5 eV/c  = MeV /c  m protone = 9.383·10 8 eV/c  = GeV /c     E mc  in DA  NE 0.5·10 9 eV in DA  NE

21 2004 Segnali analogici e digitali segnale analogicosegnale digitale (NIM o ECL) soglia discriminatore logica 2-5 V 0 V 1 0 TTL V V ECL 0 V -0.8 V NIM 0 1 Standard segnali digitali

22 2004 ADC = convertitore analogico-digitale Segnale analogico Gate   ComparatoreEncoder Riferimento Output digitale

23 2004 discriminatore... Piano 1 Piano N ADCcontatoreCPU.... VME NIM Gate dati su disc o OR AND soglia... ritardo

24 2004 Metodo di Wilkinson

25 2004 Conversione a conteggio

26 2004 Approssimazioni succesive e flash

27 2004 QDC (charge to digital converter)

28 2004 TDC (time to digital converter)

29 2004 CALORIMETER SPLITTER ADC SCOPE DIGITAL DELAY HV INPUT TO CPU GATE TRIGGER OUT TRIGGER IN Calibrazione e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico SCHEMA A BLOCCHI ACQUISIZIONE DATI

30 2004 Family: VME - High channel density - 15 bit dynamics - Dual input range: 0 ÷ 800 pC / 0÷100 pC µs / 16 ch conversion time ns fast clear time - Zero and overflow suppression for each channel - 32 event buffer memory - BLT32/MBLT64/CBLT32/CBLT64 data transfer - Multicast commands - Live insertion V Channel Dual Range Multievent Charge ADC

31 2004 STANDARDS NELL’ELETTRONICA MODULARE Schema acquisizioneVME/CAMAC/VXI/NIM Crate CPU (+ RAM, bridge, I/O, …) Rete (intranet, internet) Schede alimentazione + bus Rivelatore segnali Gli standards nell’elettronica modulare nacquero negli anni ’60 quando i laboratori di Fisica delle Alte Energie fecero investimenti nei sistemi di acquisizione dati. Lo scopo era creare un sistema che permettesse l’interscambio fra i moduli prevedendo per essi specifiche meccaniche ed elettriche.

32 2004 Lo standard NIM (Nuclear Instrumentation Module) fu introdotto nel 1964 dalla ESONE (European Standard on Nuclear Electronics). Lo sviluppo dei computers da una parte e la quantita’, frequenza e complessita’ sempre maggiore dei dati da analizzare portarono alla nascita di sistemi di acquisizione dati controllati da computer; la diversita’ delle architetture dei computers e nei segnali provenienti dai vari moduli richiedevano diversi tipi di interfaccia ed un gran numero di collegamenti. Nel 1969 l’ESONE introdusse lo standard CAMAC nel quale un bus a 24 bit collega i moduli al crate controller. Vari crates possono essere collegati allo stesso computer tramite una branch Highway che collega i crates controllers ad un Branch Driver.

33 2004 Nel 1986, per soddisfare l’aumento sempre crescente di dati, nacque il FASTBUS nel quale il bus passava da 24 a 32 bits ed i segnali permettevano di raggiungere velocita’ di trasferimento di 100MB/sec. Il FASTBUS comunque per le sue grandi dimensioni e la sua architettura specializzata era molto costoso. Nel 1980 alcune industrie, tra le maggiori, crearono un nuovo sistema il VME (Versa Module Europa), piu’ commerciale, destinato per la sua grande diffusione ad essere approvato come standard, nel 1997, dalla VIPA (VME International Physics Association). Il bus a 64 bits ha consentito un rate di trasferimento dati di 40 MB/sec per la prima versione degli anni ’80 fino agli attuali 320 MB/sec. Il recente VXI (VME Extention for Instrumentation) e’ piu’ specifico per la strumentazione rispetto al VME. Le schede sono maggiormente spaziate permettendo l’introduzione delle schermature per la riduzione del rumore per effettuare misure ad alta risoluzione.

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