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

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

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

Perdita di energia per ionizzazione: dE/dx 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 (b). La forma caratteristica della perdita di energia per ionizzazione presenta: una discesa proporzionale a 1/b2 per bassi b, 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) s p s bg = x = mc r r

Perdita di energia di elettroni (e positroni) A bassa energia domina la ionizzazione... dE dx   = E X0 La perdita di energia per radiazione diventa praticamente proporzionale all’energia degli elettroni… X0 = 180 A (g cm -2) Z2 … e tutti i materiali si comportano allo stesso modo se lo spessore è espresso in termini della lunghezza di radiazione X0 ... 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

Perdita di energia di elettroni (e positroni) 550 (MeV) e = ... 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 Z L’energia al di sotto della quale domina la perdita di energia per ionizzazione è detta energia critica e fotone

Interazioni dei fotoni fotone fotone fotone effetto fotoelettrico diffusione Compton produzione di coppie Interazioni dei fotoni

Lo sciame elettromagnetico Ad alte energie: produzione di coppie bremsstrahlung

Lo sciame elettromagnetico Approssimazione di Rossi ‘B’: la probabilità di ionizzazione non dipende dall’energia: dE/dx = -e/X0 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 1X0 2X0 3X0 4X0 T = in unità di X0 E e In questa approssimazione la lunghezza di traccia di tutte le particelle secondarie cariche è proporzionale all’energia della particella incidente: N = 21 22 23 24 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.

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

Calorimetri: misura dell’energia Includendo tutte le possibili fluttuazioni, la risoluzione in energia è: s(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-a, a<1/2

Rivelatori a scintillazione Particella  ionizzazione  particelle cariche  scintillazione  luce luce  effetto fotoelettrico  fotoelettroni  moltiplicazione  segnale elettrico 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 g Scintillatore Rivelatore di fotoni Gli scintillatori sono rivelatori multiuso: calorimetri misure di tempo di volo rivelatori traccianti (fibre) contatori di trigger/veto

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

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

BTF DAFNE B.T.F.

Produzione del singolo elettrone energia elettroni 50-750 MeV massima frequenza 50 Hz durata dell’impulso 1-10 ns molteplicita 1-1010 strumento da calibrare Fascio dal LINAC 1-500 mA @ 50-750 MeV collimatore DE< 1% 1.7, 2.0, 2.3 X0 bersaglio di spessore variabile (Cu) magnete a 450 sellettore di energia (impulso)

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

Esperienza: calibrazione e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico omogeneo fascio di e- tra 100-700 MeV calibrazione

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

Energia, impulso e unità di misura E2 = p2c2 + m02c4 Energia E misurata in eV impulso p misurato in eV/c massa m0 misurata in eV/c2 E = m0 g c2 melettrone = 5.11·105 eV/c2 = 0.511 MeV /c2 v 1 b = g = c  1 - b2 p = m0 g b c mprotone = 9.383·108 eV/c2 = 0.9383 GeV /c2 Quanta energia è 1 eV? 1 eV = 1.6 · 10-19 J 1eV/ c2 = 1.8 · 10-36 Kg pc b = mape = 1 g = 5.8·1032 eV/c2 vape = 1 m/s  Eape = 10-3 J = 6.25·1015 eV E E g = mc2 ma... In un “fascio” nelle macchine acceleratrici vengono ‘accumulate’ molte particelle 1010 in DAFNE Le particelle vengono accelerate ad energie molto maggiori della massa di riposo (ultra-relativistiche) 0.5·109 eV in DAFNE

Segnali analogici e digitali segnale analogico segnale digitale (NIM o ECL) soglia discriminatore logica Standard segnali digitali TTL ECL NIM 1 2-5 V -0.90 V 0 V 0 V 1 -1.75 V -0.8 V

ADC = convertitore analogico-digitale Segnale analogico Comparatore Encoder + Output digitale - Riferimento Gate

discriminatore ... discriminatore Piano 1 Piano N ADC contatore CPU .... VME NIM Gate dati su disco OR AND soglia ritardo

Metodo di Wilkinson

Conversione a conteggio

Approssimazioni succesive e flash

QDC (charge to digital converter)

TDC (time to digital converter)

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

V965 - 16 Channel Dual Range Multievent Charge ADC Family: VME - High channel density - 15 bit dynamics - Dual input range: 0 ÷ 800 pC / 0÷100 pC - 5.7 µs / 16 ch conversion time - 600 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

STANDARDS NELL’ELETTRONICA MODULARE Schema acquisizioneVME/CAMAC/VXI/NIM 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. alimentazione + bus Schede segnali CPU (+ RAM, bridge, I/O, …) Crate Rivelatore Rete (intranet, internet)

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.

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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