La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Candidato: Alessandra Lucà Relatore: Dott. Stefano Miscetti Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Candidato: Alessandra Lucà Relatore: Dott. Stefano Miscetti Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri."— Transcript della presentazione:

1 Candidato: Alessandra Lucà Relatore: Dott. Stefano Miscetti Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri eterogenei a piombo e fibre scintillanti Università di Roma Tor Vergata Tesi di Laurea di I livello in FISICA 6 marzo 2008 Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri eterogenei a piombo e fibre scintillanti

2 Il calorimetro di KLOE Il calorimetro di KLOE Lesperimento KLOE, presso DAFNE (LNF), ha un calorimetro elettromagnetico formato da strati alternati di piombo e fibre scintillanti Il calorimetro di KLOE è stato disegnato per rivelare elettroni e fotoni Fibre scintillanti di 1 mm di diametroFibre scintillanti (Kuraray SCSF-81 e Pol.Hi.Tech 0046) –Nucleo interno: polistirene, =1.050 g/cm 3, n=1.6, peak ~ 460 nm sottili fogli di Pb scanalati (0.5mm di spessore) rapporto di volumi Piombo:Fibre:Colla= 42:48:10 X 0 = 1.6 cm =5.3 g/cm 3 Spessore del calorimetro 23 cm Spessore di contenimento = 14.4 X 0 Spessore totale dello scintillatore ~ 10 cm 1.2 mm 1.35 mm1.0 mm Piombo

3 Rivelazione di neutroni Tradizionalmente per rivelare neutroni con energia tra MeV si usano scintillatori organici (lo scattering elastico di neutroni su atomi di H: i protoni acquistano energia cinetica e vengono rivelati dagli stessi scintillatori) efficienza proporzionale allo spessore 1%/cm Misure preliminari stimate con i dati di KLOE (neutroni prodotti da interazioni K nell'apparato) hanno mostrato un'alta efficienza ( 40%) del calorimetro elettromagnetico per la rivelazione di neutroni con energia < 20 MeV, confermata dal Monte Carlo ufficiale dellesperimento. DA NE DA NE La rivelazione di neutroni è importante per un esperimento alla macchina DA NE, ad alta luminosità.DA NE Test beam dedicato effettuato con un fascio di neutroni presso The Svedberg Laboratory (TSL) di Uppsala (2006, 2007, 2008) per confermare la misura di efficienza. L'argomento della mia tesi è l'analisi dei dati raccolti nell'ultimo test beam (ottobre 2008).

4 Produzione del fascio di TSL 5.31 m ( 2 cm) Tramite la reazione p + 7 Li n + 7 Be viene prodotto un fascio quasi monoenergetico di neutroni da 174 MeV. Fascio di protoni con energia 180 MeV. Spettro energetico dei neutroni con un picco alla massima energia (a 174 MeV f p = 42% di neutroni nel picco) Coda di neutroni termici CICLOTRONE GUSTAF WERNER Blue Hall T RF = 45ns PICCOLO PROTOTIPO DEL CALORIMETRO DI KLOE

5 Rivelatore TSL Rivelatore TSL Piccolo prototipo di KLOE : - LxHxS = (65x13x24) cm 3 - lettura da entrambe le facce (side A, side B) tramite PMTs conPMTs diametro 1, 1/8 - celle 3 5 (4.2 cm 4.2 cm) Reference counter : NE110; spessore 5 cm ; area cm 2 letto da entrambi i lati Display degli eventi Le celle colorate indicano le celle colpite dal passaggio della particella. COLONNA CENTRALE piani n Y X Z SIDE A SIDE B

6 Radiofrequenza 45ns Rate Neutroni 20kHz trigger Phase Locking Il trigger è generato in fase con la RF è abilitato dalla coincidenza A and B. Trigger e schema elettronico Trigger e schema elettronico Time Unit gate Il Fan out replica il segnale in tre copie Discriminatori TDC 50ps/count stop common start ritardo Una copia del segnale viene discriminata e ritardata prima di arrivare al TDC; essa dà lo STOP per ogni singolo canale ADC 100fC/count gate 200ns ritardo Una copia del segnale analogico arriva allADC, con un ritardo dovuto allelettronica Discr. Σ (Side A) Σ (Side B) Dopo una somma analogica su tutti i canali per ogni side, il segnale viene discriminato Canale 0 Linear Fan in Fan out Canale 1 Canale N

7 Sensibilità del TDC= ( ) ps Sensibilità del TDC= ( ) ps Schema temporale Il fascio di protoni viene pulsato con un periodo T RF = 45 ns. I neutroni prodotti giungono dopo un certo intervallo di tempo sul calorimetro. Il common start del TDC è fornito da un trigger, generato in fase con la RF ed abilitato dalla coincidenza delle due side. Con questa configurazione gli eventi del picco vengono ben determinati, ma gli eventi della coda (più lenti) possono essere determinati con uno start generato nel successivo T RF.

8 Calibrazione dei piedistalli e zero di carica Il piedistallo è il valore di carica riportato dallADC in assenza di segnale esterno. Vengono effettuati dei run speciali, per stimare il valore (in conteggi di ADC) del piedistallo di ogni singolo canale Il piedistallo è calcolato attraverso un fit gaussiano dello spettro dei canali di ADC, Q raw Il fit mostra una variazione contenuta del valore del piedistallo in funzione del numero di run. Alla carica si sottrae il valore del piedistallo: Q = Q raw - PED >3

9 Scala in energia e MIP La misura dell'energia all'interno del calorimetro avviene tramite la misura della carica raccolta dai fotomoltiplicatori. Per valutare i guadagni vengono utilizzate le MIP.MIP Per ogni cella: E(MIP) = G A K E. Con i valori ottenuti si cerca di equalizzare i guadagni. Lenergia totale della particella espressa in unità di MIP è: E TOT = Q i /M MIP i Esempi di distribuzioni di MIP per 4 canali che corrisponde a: E TOT (MeV) = E TOT (MIP) K E con K E = 35 MeV/MIP Entries

10 T peak = L i / ( peak c) T tail = T tail + T RF T tail < T peak - 2 (ns) Allineamento dei tempi, poiché il trigger è phase locked con la RF (T RF =45 ns) Allineamento dei tempi e ToF Lo spettro di energia può essere ricostruito con il ToF: Il tempo vero è: T TRUE = T –T peak +L 0 / ( peak c). Dal ToF spettro dei neutroni : T = L i / ( c) Nota la massa dei neutroni energia cinetica: E K = E-M n c 2

11 Entries Confronto Dati/MC e alone Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con una sola cella. I clusters formati da una singola cella mostrano un rapporto celle accese laterali/centrali più alto di quello aspettato dal MCclusters Le celle laterali mostrano una componente piatta non attesa dal MC Fit delle distributioni dei ToF nei dati con: - forma del segnale attesa da MC - parametrizzazione lineare del fondo; Per ogni cella del calorimetro e per ogni soglia del trigger = Central cell = Lateral cell n dati MC all BKG Cè un fondo di neutroni di bassa energia che formano un alone attorno al core Frazione di alone dati MC all BKG dati MC all BKG cella centrale

12 Misura dell'efficienza su tutto lo spettro = R trigger × (1-B/(S+B)) R NEUTRONI × R NEUTRONI : numero di neutroni incidenti ( misurato tramite un monitor del fascio sull'intensità del flusso di neutroni, misurato dal TSL.) B = background S= segnale : accettanza ( 1, assumendo che il fascio sia completamente contenuto nella superficie del calorimetro ) R trigger : numero di neutroni rivelati L'ICM viene utilizzato online il TFBC viene usato offline per calibrare l'ICM: il sistema ha un'accuratezza del 10 %

13 Efficienza del calorimetro misurata con neutroni di 174 MeV Misura preliminare dellefficienza -Il valore trovato è 4 volte maggiore di quello aspettato per uno spessore equivalente di scintillatore -Le efficienze misurate per lo scintillatore di referenza sono in accordo con i valori in letteratura -Simulazioni dettagliate sono in sviluppo = 30 % a 15 MeV di soglia. PRELIMINARY

14 Spares

15 Fibre scintillanti Fibre scintillanti 1.2 mm 1.35 mm1.0 mm Piombo Propagazione della luce attraverso riflessioni multiple allinterno del core e del cladding. Es. di fibra ottica: n 1 =1.6, n 2 =1.49 TR 21° Lunghezza di attenuazione 3 – 4 m TR = 21 cladding core 36 particella

16 DA NE DA NE Il rate di eventi R in una collisione è proporzionale alla sezione durto dinterazione σ int La luminosità è il fattore di proporzionalità: R = Lσ int. La nuova macchina Da ne ha una luminosità maggiore di 5 x cm -2 s -1 Alta luminosita: alta frequenza di eventi da studiare

17 Il ciclotrone Gustaf Werner Il ciclotrone Gustaf Werner Dati principali: Raggio di estrazione: 1.2 m Diametro della base del polo magnetico: 2.8 m Campo medio massimo: 1.75 T al a raggio massimo utile di 1.2 m Radiofrequenza: RF= 22 MHz => T RF = 45 ns Energie disponibili per la produzione di un fascio di protoni: MeV

18 PMT: Photo Multiplier Tube PMT: Photo Multiplier Tube Un PMT converte la luce in un segnale elettrico che poi amplifica. I fotoni incidono su un fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette fotoelettroni. Questi passano attraverso una serie di dinodi mantenuti a una certa ddp. Da dinodo a dinodo, i fotoelettroni vengono così moltiplicati, prima di arrivare allanodo. Il guadagno è: G ~ V Nd La variazione in guadagno è:

19 Flusso assoluto di neutroni misurato dopo il collimatore con 2 monitors di intensità del fascio Ionization Chamber Monitor (7 cm ): ICM monitor online Thin-Film Breakdown Counter (1 cm ): TFBC monitor offline. Viene usato per calibrare l ICM misurando il flusso di neutroni alluscita del collimatore. Conta il numero di fissioni dell 238 U, da cui ricava la frazione di eventi del picco di neutroni, f p. Rate(n) = Rate(ICM) K π r 2 / f p r = raggio del collimatore (1 cm) K = fattore di calibrazione TFBC : ICM = 1Hz : 3 kHz/cm 2 f p = frazione di neutroni nel picco accuratezza: 10% per l energia del picco (180 MeV) 20% per energie più basse (20 – 50 MeV) Neutron rate Neutron rate

20 Cosa sono le MIP Cosa sono le MIP Le Minimum Ionizing Particles, o Mip, sono particelle che nel passaggio attraverso la materia hanno un rate di perdita di energia vicino al minimo. Una fonte di MIP sono i raggi cosmici (muoni): = cost => - E ~ x Il valore della carica rilasciato dalle MIP in parte attiva è proporzionale solo allo spessore attraversato: Le MIP risultano utili ai fini della calibrazione della scala energetica.

21 A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, Saclay Spettro di TDC in conteggi: Le due linee rappresentano inizio e fine del range del plot. La prima linea si trova a cont. la seconda a cont. Sensibilità del TDC Sensibilità del TDC T RF = 45ns (840 4) conteggi ( )ns La sensibillità si ricava da T RF / T TDC

22 Clusters 0 0 X Z Tempo Coordinate spaziali Energia del cluster

23 Fondo per cluster con più di una cella Fondo per cluster con più di una cella Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con più di una cella. Entries

24 A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, Saclay 24 Un tipico processo inelastico Un tipico processo inelastico n Z(cm) p n1n1 n2n2 n3n3 n4n4 X(cm) primary vertex E n = MeVE n (p) = 126 MeV Laumento dellefficienza sembra essere dovuto a unenorme produzione inelastica di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari: - sono prodotti isotropicamente; - sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e di protoni, che può essere rivelata nelle fibre; - hanno unenergia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /.

25 A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, Saclay 25 Scintillator efficiency (%)/ cm of scintillator (%) - scint. Larger errors at low energies due to: big uncertainty in the beam halo evaluation worse accuracy of the beam monitors Correction factor for beam halo EnEn Agrees with the thumb rule (1%/cm) at thresholds above 2.5 MeV el.eq.en. Agrees with previous measurements in the same energy range after rescaling for the thickness

26 26 Neutron interactions in the calorimeter Neutron interactions in the calorimeter Each primary neutron has a high probability to have elastic/inelastic scattering in Pb target P el (%) P inel (%) Pb fibers glue In average, secondaries generated in inelastic interactions are 5.4 per primary neutron, counting only neutrons above 19.6 MeV. In average, secondaries generated in inelastic interactions are 5.4 per primary neutron, counting only neutrons above 19.6 MeV. neutrons above 19.MeV 62.2% photons 26.9% protons 6.8% He-4 3.2% deuteron 0.4% triton 0.2% He-3 0.2% Typical reactions on lead: n Pb x n y Pb n Pb x n y p + residual nucleus n Pb x n y 2 p + residual nucleus In addition, secondaries created in interactions of low energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average – 97.7 particles per primary neutron. neutrons 94.2% protons 4.7% photons 1.1% Simulated neutron beam: E kin = 180 MeV

27 Proton beam Li target n 5.5° The simulation of the beam line Z(cm)Y(cm) Shielding (concrete and steel) Calorimeter 7 Li Target Gaussian angular distribution (Journal of Nuclear Science and Technology, supplement 2(2002), ) At the Li-target At the calorimeter E kin (MeV) The beam line has been simulated starting from the neutrons out of the Litium target At the entrance of the beam monitor

28 Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, Saclay 28 LEAD GLUE FIBERS base module replicas 200 layers Using the FLUKA tool LATTICE the fiber structure of the whole calorimeter module has been designed. In the base module the calorimeter is simulated in detail, both under the geometrical point of view and with respect to the used materials The FLUKA simulation - part (I) All the compounds have been carefully simulated. - for the fibers, an average density between cladding and core has been used : ρ = g/cm 3 - glue: 72% epoxy resin C 2 H 4 O, =1.14 g/cm 3, + 28% hardener, =0.95 g/cm3 hardener composition PolyoxypropylediamineC 7 H 20 NO 3 90% TriethanolamineC 6 H 15 NO 3 7% AminoethylpiperazineC 6 H 20 N 3 1.5% DiethylenediamineC 4 H 10 N 2 1.5% The Pb-SciFi structure

29 Thr. (mV) MeV eq. el. en. Thr. [mV] Thr. [MeV] (ex.) Fermi-Dirac fits for the sum of the cluster energy side B Determinazione soglia trigger in MeV


Scaricare ppt "Candidato: Alessandra Lucà Relatore: Dott. Stefano Miscetti Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri."

Presentazioni simili


Annunci Google