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Università degli Studi di Roma Tor Vergata Tesi di Laurea in Fisica Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Caratterizzazione di un calorimetro.

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Presentazione sul tema: "Università degli Studi di Roma Tor Vergata Tesi di Laurea in Fisica Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Caratterizzazione di un calorimetro."— Transcript della presentazione:

1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Tesi di Laurea in Fisica Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Caratterizzazione di un calorimetro omogeneo Candidato Flavio Archilli Relatori: Prof. Carlo Schaerf Prof.ssa Annalisa DAngelo Correlatori: Dott. Giovanni Mazzitelli Dott. Bruno Buonomo

2 Infinitamente piccolo Per esplorare linfinitamente piccolo abbiamo bisogno di strumenti adatti, e calibrati Rivelatori Ci forniscono informazioni su: Tipo di particella Posizione Impulso Energia

3 Calorimetri Misura dellenergia delle particelle Interazioni radiazione materia Perdita di Energia (assorbimento totale)

4 Obiettivo Studiare la linearità e la risoluzione di un calorimetro elettromagnetico omogeneo a vetro al piombo utilizzando un fascio a multibunch di 500 MeV

5 Calorimetro Materiale attivoFotomoltiplicatore A sampling: materiale attivo alternato da materiale passivo Omogeneo: tutto materiale attivo Trasforma un segnale luminoso in segnale elettrico Componenti

6 Tipo di Calorimetro utilizzato Calorimetro elettromagnetico omogeneo a vetri a piombo drogato al cerio Fotomoltiplicatore Vetro a piombo

7 Modello semplificato (app. A Rossi) per studiare la perdita di energia di una particella allinterno del calorimetro Interazione radiazione-materia

8 Bremsstrahlung Creazione Coppie da parte del fotone di Bremsstrahlung Cascata elettromagnetica Perdita per ionizzazione Scintillazione E>E c E

9 Cascata elettromagnetica Unità del processo Lunghezza di radiazione X 0 : lunghezza dopo la quale lenergia di una particella diminuisce di un fattore 1 /e Raggio di Moliere: R M =X 0 (21,2MeV/E c ) MODELLO t =

10 La strumentazione Caratteristiche fisiche del vetro a piombo: X 0 =2.07 cm R M =2.4 cm =4.6 g/cm 3 E c = 21 MeV Lunghezza vetro a piombo 40cm20 X 0 5 cm di lato1 R M dal centro sezione del vetro Problemi di contenimento? Un fascio di 30 GeV è completamente contenuto longitudinalmente in 20 X 0 Esperimento a 500 MeV TRANQUILLI! In 2 R M è contenuto il 95% della componente trasversale della cascata

11 Scintillazione Scintillatore: materiale che mostra la proprietà nota come luminescenza Luminescenza: assorbimento di energia nella materia e la sua riemissione come radiazione visibile o vicina al visibile Vetro a piombo Tempi di risposta dellordine di 50 ns (tra rivelatori plastici e cristalli inorganici) Emissione luce 25% antracene (240eV/fotone) Buon rivelatore! Alta efficienza conversione energia in radiazione Trasparenza rispetto alla radiazione di fluorescenza Spettro di emissione coerente con il range di risposta del fotomoltiplicatore Tempi di decadimento costanti Risposta lineare rispetto allenergia depositata.

12 Fotomoltiplicatore Il fotomoltiplicatore trasforma i fotoni in un segnale elettrico sfruttando leffetto fotoelettrico È costituito da un catodo fatto di materiale fotosensibile, seguito da un sistema di focalizzazione e una catena moltiplicatrice, costituita da vari dinodi e da un anodo dal quale si estrae il segnale finale Il fotomoltiplicatore è uno strumento lineare ed il segnale in uscita dallanodo è una corrente proporzionale ai fotoni raccolti nellunità di tempo. Per lesperienza abbiamo utilizzato un fotomoltiplicatore Cern/Type 4238 alimentato a 700 V

13 LINAC Il LINAC è un acceleratore lineare che sfrutta le cavità a radio frequenza per accelerare le particelle Il LINAC di DAFNE ha una lunghezza di ~60m. La frequenza del generatore è di 2856 MHz Accelerazione nel passaggio tra un tubo e laltro E=eV Essendoci n tubi lenergia cinetica risulterà E=neV Produzione di pacchetti di particelle Energia max e - in uscita800 MeV Corrente in uscita150 mA

14 E measurement Fast dipole (2.8°/ 0°) Pulsed dipole: 3.2°/ 7° BTF To main rings BTF layout

15 N. of particles detector Attenuazione del fascio del LINAC tunable W target: 1.7, 2.0, 2.3 X 0 LINAC Beam mA W slits Selected energy (MeV) 45 0 magnet

16 Laboratorio BTF Energy Range MeV e - /e + Max. Repetition Rate50 Hz Pulse Duration1-10 ns Current/Pulse1 to particles Allowed Current10 3 particles/second

17 Elettronica di acquisizione

18 CARATTERISTICHE CALORIMETRO Linearità Energia elettrone incidente Numero di particelle prodotte nella cascata Fotoni prodotti per scintillazione Il fotomoltiplicatore è uno strumento lineare, fornisce un segnale elettrico proporzionale agli elettroni prodotti dal fotocatodo La risposta del calorimetro è proporzionale allenergia dellelettrone incidente

19 Non avendo la possibilità di estendere a molti ordini di grandezza lenergia del nostro fascio, applichiamo lidea secondo cui due elettroni siano assimilabili ad un unico elettrone con energia doppia, e così via. Questa ipotesi è in accordo con la linearità tra numero di particelle prodotte nella cascata e lenergia della radiazione incidente, però non tiene conto che lo sviluppo della cascata in presenza di una particella ad energia doppia è più penetrante. e-e- e-e- e-e MeV = 500 MeV +

20 Risoluzione Definiamo la risoluzione come: Diversi termini da determinare 1° termine dovuto alle fluttuazioni statistiche di un processo che è convoluzione di processi poissoniani 2° termine dovuto al rumore prodotto dalla strumentazione e indipendente dallenergia incidente 3° termine dovuto ad errori di calibrazione Per il nostro esperimento assumiamo che la risoluzione sia data solo dal primo ed ultimo termine

21 Acquisizione dati Misura dellerrore sistematico dovuto al rumore integrato dall ADC di carica: piedistallo E sist = 63±2 counts

22 Acquisizione dati Misure su fascio Energia singolo elettrone 405 MeV Spettro dei conteggi dellADC di carica. Il primo picco corrisponde con il piedistallo. Il secondo picco corrisponde con la misura di un singolo elettrone, il terzo con la misura di due elettroni e così via… Il valore medio di elettroni incidenti sul calorimetro è ~6

23 Acquisizione dati Analisi dei singoli picchi

24 Acquisizione dati Dati ottenuti Numero e - Energia Nota MeV E MeV ADC Counts E mis RisoluzioneErrore sulla risoluzione ,0810, ,0680, ,0630, ,0590, ,0520, ,0550, ,0540, ,0480,002

25 Linearità Dal grafico otteniamo

26 Risoluzione Il fit viene eseguito utilizzando la funzione Stimiamo il contributo costante ed il contributo della fluttuazione statistica

27 CONCLUSIONI Verifica analisi teorica sulla linearità del processo di sviluppo della cascata Verificata la relazione di linearità tra la misura e lenergia del pacchetto di elettroni Risoluzione poco maggiore del 9% con fit discreto dei dati sperimentali Possibili errori di misura possono derivare dal metodo usato (convoluzione delle gaussiane con la poissoniana) e al non totale contenimento trasverso dello sciame elettromagnetico


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