RIVELATORI A TEMPO DI VOLO Usati in diversi impieghi: uno dei piu’ importanti PID ( Particle Identification) a b T = L/v = L/cb dt ta tb Dt = dt1 – dt2 = L/c(1/b1-1/b2)

Cosa bisogna migliorare per aumentare la capacita’ di identificazione delle particelle? Ad alta energia dominano

M = p ((t2 c2 /L2 )-1)1/2 σTOF = 80 ps ; B = 0.5 T

TOF negli esperimenti a collider anche per: - trigger - reiezione cosmici (OPAL,CDF) T1 ~ T2 T1 >> T2

Identificazione di muoni dal basso rispetto al fondo di muoni dall’alto in un Esperimento sotterraneo m Dt = L/cb 3 samples 2 samples m n

q Esperimenti per lo studio di sciami estesi t0 t1 st ~ 1 ns  st ~ 0.1o

TOF negli esperimenti su pallone/satellite PAMELA Trigger veloce discriminazione tra particelle upgoin e down going: importante per albedo. - Discriminazione di carica p/p, e,e

Quali rivelatori possiamo scegliere per raggiungere st ~ 100 ps ? 1) Scintillatori E’ chiaro che abbiamo bisogno di scintillatori veloci (es: NaI non va bene). Si tratta in genere di scintillatori organici, in cui gli orbitali p delocalizzati, quando si eccitano per il passaggio di una particelle ionizzante, tornano allo stato fondamentale molto velocemente (rise time <1 ns). Esempio gli scintillatori plastici BC404,BC418. Un mezzo che emette ad una lunghezza d’onda assorbe alla stessa lunghezza d’onda  wls per evitare di perdere luce. Bisogna utilizzare PM altrettanto veloci, che Abbiano un buon match con la lunghezza d’onda Della luce emessa dallo scintillatore. Anche qui Il rise time deve essere < 1 ns e il jitter time di poche centinaia di ps.

Responsabile principale del jitter e’ il transit time dal fotocatodo al primo dinodo. Arrivano prima Arrivano dopo Inoltre se gli elettroni sono emessi con E diversa e direzione iniziale diversa, questo contribuisce ad aumentare il jitter. In genere si mette il primo dinodo a tensione piu’ alta.

Un effetto importante da correggere: il time slewing Segnali piu’ piccoli tendono a superare la soglia dopo I segnali piu’ grandi. Fluttuazione nel timing del primo fotoelettrone sopra soglia. Bisogna fittare con una funzione del tipo: T = T0 – a/sqrt(Q) e poi bisogna correggere

Principle of Timing measurement (T0,x0) x L – x T1 T2 Cartoon PMT1 PMT2 L TOF T1, T2 : Timing measured by PMT1,2 L : slat length v : light velocity in scintillator Y position

T2 T1 T3 T4 TOF = (T1 + T2 ) – (T3+t4)/2  indipendente dal punto di impatto se….

..le calibrazioni sono eseguito in modo corretto 1) Calibrazioni degli ADC Ideale reale Si puo’ usare un segnale di ampiezza nota e poi dividerlo. ADC ADC Charge Charge 1) Calibrazioni dei TDC reale Ideale Si possono usare Cavi di ritardo TDC TDC Delay Delay

Guadagno del PMT. Vari metodi: Singolo photoelettrone ADC oscilloscopio Si acquisiscono alcune centinaia di tracce. Guardo l’ampiezza del picco: I = V/R ~ 5 mV /50 Ohm = 0.1 mA. Es. se la lunghezza media del segnale e’ 5 ns G = 0.1 ma/5 ns/1.6E-19 = 125,000 Un’altro tipo di calibrazione si puo’ ottenere inviando luce tramite un fotodiodo vicino al PMT. Solitamente e’ piu’ importante l’uniformita’ dei guadagni che il Valore assoluto.

Adesso bisogna andare a bilanciare per il diverso Q per PMT ai due lati. Si puo’ usare un laser messo al centro dello scintillatore ( con l che sia compatibile con quella dello scintillatore ) oppure muoni dei cosmici.

1st step Energy loss conversion parameter Channel to GeV converter. Fitting by Landau function. MIP ~ 3 MeV. MIP ~ 3 MeV Carica del lato A * Carica del lato B in funzione del numero di scintillatore

Y T2 T1 Se calcolo Y con Un sistema tracciante, Allora v*(T1-T1) = Y T3 T4 TOF = (T1 + T2 ) – (T3+t4)/2  indipendente dal punto di impatto se….

Y position offset & Light velocity in scintillator Timing difference between lower and upper PMT. Local y hit position. Fitting function

Un problema importante: e se il mio TOF deve essere estremamente segmentato ? Cioe’ se devo andare a misurare il tempo in una regione di pochi cm quadrati E devo farlo per 150,000 di queste regioni ??? E’ possibile tenere sotto controllo 150,000 fotomoltiplicatori ? Finora il massimo e’ stato ~12,000 PMT di Superkamiokande Quanto costerebbe un sistema del genere ? E se devo operare in campo magnetico ?  PMT “fine mesh”, molto costosi Vedremo nella prossima lezione un’alternativa.