La beam-test facility di Frascati (BTF) Da 1 a 10 10 elettroni, fotoni e neutroni B. Buonomo, G. Mazzitelli, L. Quintieri INFN LNF P. Valente INFN Roma.

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1 La beam-test facility di Frascati (BTF) Da 1 a 10 10 elettroni, fotoni e neutroni B. Buonomo, G. Mazzitelli, L. Quintieri INFN LNF P. Valente INFN Roma Con il fondamentale contributo degli operatori di DAFNE, dello staff della Divisione Acceleratori e degli utenti che ci hanno aiutato a migliorare la facility

2 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 DA  NE BTF La BTF è una facility che può estrarre il fascio di e  /e  dal Linac; è parte integrante del complesso del collider DAFNE dei Laboratori di Frascati Linac ad alta corrente:  1  500 mA e  100 mA e ,  Impulsi da 1 oppure 10 ns  Corrente minima ~ 1 mA ~ 10 7 particles Attenuando il fascio primario è possibile:  ottenere il regime di particella singola, ideale per test di rivelatori  modulare l’intensità del fascio  modulare l’energia del fascio

3 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 misura p selezione p target BTF

4 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Selected energy (MeV) N. of particles calorimetro 1e  2e  3e  0 Fascio secondario collimatori (W) dipolo 45° Bersaglio (Cu) 1.7, 2.0, 2.3 X 0 1 10 10 2 10 3 Fascio del LINAC 0 100 200 300 400500

5 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Number (particles/pulse) 1  10 5 1  10 10 Energy(MeV)25-50025  750 Repetition rate (Hz)20-5050 Pulse Duration (ns)101 or 10 p resolution 1% Spot size (mm)  x,y ≈ 2  2 (single particle) up to 10  10 (high multiplicity) Divergence (mmrad)  ’ x,y ≈ 2 (single particle) up to 10 (high multiplicity) Caratteristiche del fascio Fascio di positroni o elettroni, con una intensità modulabile grazie alla dispersione in energia introdotta dal bersaglio, selezionando l’energia e tramite dei collimatori, fino ad otterene il regime di singola particella per impulso Multi-purpose facility: Detector calibration and setup Calorimetry High multiplicity efficiency Detectors aging and efficiency Beam diagnostics

6 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 DAFNE-L Operazione BTF Il commissioning della BTF è stato completato nel 2002 e opera regolarmente con gli utenti dall’inizio del 2003. Il fascio è fornito 24 ore/24 (efficienza del 96%) tranne che durante l’operazione degli esperimenti al collider DAFNE. In questo caso la BTF deve operare in parasitaggio con un duty cycle che non potrebbe eccedere il 45% a causa delle iniezioni continue negli anelli principali (topping-up). Per ovviare a questa limitazione, nel 2004 è stata realizzata una transfer-line dedicata e nel 2006 è stato installato un alimentatore veloce pulsato che permette di selezionare ciascuno dei 50 bunch/secondo del Linac. Questo a portato l’efficienza complessiva della linea BTF al 90%. Richiesta di fascio negli ultimi 4 anni (richieste multiple conteggiate due volte) 2007 - 224 giorni 2006 - 244 giorni 2005 - 364 giorni 2004 - 282 giorni 2006-2007 DAFNE run users request

7 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009

8 target

9 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Transfer-line dedicata

10 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 2008 193 giorni nel 2008. Utilizzo effettivo del tempo allocato: 80-90% dedicato

11 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 2009 Assegnazioni da Gennaio ad Aprile Richieste da Maggio a Dicembre

12 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 4 m 5.5 m Linac tunnel Infrastruttura Sala sperimentale

13 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Infrastruttura Linac tunnel Sala controllo PC, Console controllo, stampante patch panels, crate, racks, etc Ingresso carrabile: muri di radioprotezione (mobili) Sala riunioni (WiFi) Ufficio ospiti (LAN-WiFi)

14 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 C 4 H 10 CO 2 Gas nobili C2H6C2H6  Sistema DAQ permanente: TDC/QDC/ADC/scaler/discriminatori per diagnositica e (limitatamente) per utenti  VME and CAMAC controller, modulistica NIM  Tavolo motorizzato e remotizzato (movimenti x-y)  Sistema Gas  Alte tensioni, crates, rack, etc.  HV SY2527 (3/4KV neg, 3/4KV pos, 15KV pos)  40 ch. CAEN SY127 pos.  Cabling BTF HALL-BTF CR  Network: Wi-Fi, dedicated-LAN, WAN, printer http://www.lnf.infn.it/acceleratori/btf/ Infrastruttura

15 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Diagnostica low multiplicity (1-100): (back detector) lead glass, 5×5×35 - 10×10×35 cm PbWO 4 crystal 3*3*11 cm lead/scintillator fibers (KLOE type), 25×50×30 cm NaI high resolution 30×30 cm (front/trigger detector/not destructive/tracking) multipurpose plastic scintillators 10x10x0.5 cm, 10x30x0.5 cm, 1x15x0,5 cm hodoscope; two bundle of 1 mm fiber for a total active area of 48x48 mm2 Silicon tracker (high gain) 3GEM (Gas Electron Multiplier) detector 2×2 mm spot size in Silicon XY chamber 2×2 mm spot size in fiber hodoscope

16 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Esempio di applicazione a bassa intensità (Misura di inefficienza  veto di NA62 a bassa energia) 1 e F 1 ·F 2 Eventi Energia (MeV) F1F2H1H2F1F2H1H2 F1F1 F2F2 H1H2H2 P1P1 P2P2 fascio P1P1 F1 H1 F2 H2 Calorimetro Pb/fibre A B

17 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Esempio di applicazione a bassa intensità (Misura di inefficienza  veto di NA62 a bassa energia) F1F1 F2F2 H1H1 H2H2 P1P1 P2P2 fascio 1-  = (7.3 +4.1 -3.3 )  10 -5 E A+B < 50 MeV Soglia E A+B (MeV) - Measured n FC 68.27% CL Inefficienza

18 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Inefficienza E meas < 50 MeV No mis-tagging 68.27% FC CLs Energia (MeV) Calorimetro Pb/Scintillatore+WLS Calorimetro Pb/Fibre scintillanti Vetro al Pb (OPAL)

19 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Esempio a bassa intensità (MEG) Rivelatore profilo (sci-fi) Finestra uscita Calorimetro NaI prototipo MEG ToF Spettro E On-line monitor Profilo xy (sci-fi)

20 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Fotoni taggati alla BTF: calibrazione AGILE GRID AGILE spectrometer silicon tagging target silicon detector The AGILE Gamma Ray Imaging Detector calibration at BTF is aimed at obtaining detailed data on all possible geometries and conditions. BTF can provide data in the most significant energy region (20-700 MeV) Be window

21 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Target attivo Moduli tagging

22 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 BTF pulsar ~ 400 Crab Nebula

23 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Diagnostica medium multiplicity diagnostics (100-10 8 ): (front detector/not destructive) Cerenkov light emission Silicon Beam Chamber (low and tunable gain) Triple GEM TPC (under development) high multiplicity diagnostics (10 7 -10 10 ): (front detector) low noise (3×10 6 particles) BCM high sensitivity fluorescence flags – cromox, Be, yag:ce

24 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Compact-Time Projection GEM BTF beam Essenzialmente una GEM modificata per funzionare come una piccola TPC (spazio di drift di 4 cm) facendo incidere il fascio lateralmente. Buona risoluzione spaziale anche ad alta intensità misurando il tempo di drift. Rivelatore realizzato modificando una tripla-GEM 10x10 cm 2 in una scatola di G10 Readout realizzato con Carioca-GEM 16 samples for each readout ASDQ or Carioca GEM box cross section F. Murtas et al.

25 RAP (rivelazione acustica particelle) Monitor intensità Monitor posizione/dimensioni

26

27 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Riduzione fondo bassa energia Schermo per ridurre le particelle secondarie provenienti dal target in Cu che degrada il fascio Fattore di riduzione delle particelle di bassa energia ~100 (FLUKA)  attenuation n attenuation W=40 cm; H=50 cm, L=50cm 2.5 cm of DENSIMET-180: (95% W + 0.5 % Fe-Ni) 2.5 cm of 5% BORON Polyethylene

28 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Idea per un fascio di neutroni @ BTF Interesse alla produzione di neutroni nella comunità scientifica degli utenti della facility Possibilità di effettuare test di diagnostica per neutroni a basso flusso e bassa energia Possibilità di costruire il know-how necessario per la prossima generazione di sorgenti di alta energia (FEL) Possibilità di realizzare una nuova facility Europea (ISO standard) Progetto in collaborazione con S. Bartalucci, R. Bedogni, A. Esposito, F. Murtas

29 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Produzione di neutroni Fino a qualche decina di MeV lo spettro è ben descritto da una distribuzione Maxwelliana con un’energia media di ~1 MeV Per energie più alte, allo spettro di risonanza gigante di dipolo si aggiunge una coda dovuta all’effetto quasi-deutone La pendenza diventa molto ripida quando ci si avvicina all’energia dell’elettrone incidente. Monte Carlo (Fluka) 1 MeV 10 MeV 100 MeV Sfera di Pb, r=12 X 0

30 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Scelta del materiale Formula di Swanson: 9.3  10 10 Z 0.73 n/kW/s Fluka

31 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Ottimizzazione bersaglio W Massima potenza fascio BTF ~ 40 W (4.9  10 11 e  /s)

32 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Setup per il test Target racchiuso in uno schermo, con linee di estrazione multiple e  beam Transfer Line Studio finanziato dalla CNS V (Settembre 2008) per realizzare target beam dumper supporto movimentabile fotoni

33 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Diagnostica per neutroni In aggiunta a rivelatori “standard” (sfere di Bonner), test di nuovo rivelatore GEM

34 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Richieste di fascio alla BTF Commissione BTF Pasquale Di NezzaPasquale Di Nezza - INFN, LNF Flavio GattiFlavio Gatti - INFN, Genova Clara MatteuzziClara Matteuzzi (Presidente) - INFN, Milano Giovanni MazzitelliGiovanni Mazzitelli (Responsabile) - INFN, LNF Antonio PasseriAntonio Passeri - INFN, Roma III Paolo ValentePaolo Valente - INFN, Roma Segreteria:Segreteria: Annette Donkerlo

35 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 La BTF è stata utilizzata nell’ambito del TARI del 6 th Framework Program e farà parte del 7 th Framework Program Documentazione tecnica, dettagli sul programma di DAFNE, pubblicazioni, ecc.: http://www.lnf.infn.it/acceleratori/btf Documentazione

36 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Documentazione btf@lnf.infn.it Per richieste tecnico-scientifiche btfsupport@lnf.infn.it Per supporto amministrativo Newsletter: Coordinatori CSN Responsabili nazionali Utenti BTF

37 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Grazie, anche da parte del personale precario (metà dello staff BTF) Giovanni Mazzitelli, (LNF) Paolo Valente, (Roma) Lina Quintieri, tempo determinato (LNF) Bruno Buonomo, tempo determinato (LNF)

38 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009

39 Jul 8, 2008 DAFNE provides a fine electron source http://cerncourier.com/cws/article/cern/34935 …e la più recente La pubblicazione più “antica”…

40 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 50 MeV Calorimetric counting limited to few tens of MeV, due to energy resolution calorimetric is OK at low intensity, not for high multiplicity beams: e.g. the AIRFLY experiment, designed to measure absolute fluorescence yield in air and its energy dependence, needs:  full energy range  maximum beam intensity calorimetric is OK at low intensity, not for high multiplicity beams: e.g. the AIRFLY experiment, designed to measure absolute fluorescence yield in air and its energy dependence, needs:  full energy range  maximum beam intensity number of produced electrons counted by total energy deposited in lead/scintillating fiber calorimeter (KLOE type): limited to few tens of particles, due to saturation effects

41 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Defocused Beam profile (AGILE Si tracker) 410  m thick, single-side, AC coupled strips, 121  m pitch, 242  m readout pitch 2 layers (x,y)  384 strips, analog readout Optimal focusing at 493 MeV, measured spot size:   2  2 mm 2 Beam spot measured with all transfer line quadrupoles off: 55  35 mm 2, limited by vacuum pipe section

42 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 cladded scintillating fibers, Pol.Hi.Tech type 0046, 1 mm diameter  4 layers of fibers glued together  staggered by ½ fiber to minimize dead zones  A permanent beam position and size monitor needed, both for beam steering and optimization purposes, and for providing useful information for detector testing, complementing the beam intensity monitors  Such a position sensitive detector should have:  negligible mass, not to spoil beam characteristics (energy, divergence, spot size)  good resolution, as compared to beam typical size (1 mm required)  sensitivity both for single particle (even at low energy) and at high beam intensity Sci-fi profile detector

43 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Sci-fi profile detector x (mm) y (mm)  Charge weighted profiles for x and y fiber bundles H size (mm) E (MeV) energy dependence of the beam spot size Consistent with beam image from Silicon tracker

44 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 detector, designed and built, in collaboration with the AIRFLY group, based on Cerenkov light emission  Cross-calibrated with calorimetric measurement at low particle multiplicity  Used to monitor beam intensity at higher intensity up 10 4  10 5 particles, in the full energy range PMT filter Plexiglas radiator Cerenkov beam monitor dynamical range can be further extended:  calibrated optical filter in front of the PMT  use air as Cerenkov radiator detector tested up to 10 10 particles with a cross calibration with BCM 45 o mirror

45 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Calorimeter/Cerenkov calibration Cerenkov beam monitor

46 P. Valente – CSN3, Roma, 2 Feb. 2009 Beam profile (FLAG fluorescence target) SIDHHARTA Flag = metallic high fluorescence plate viewed by a camera Different fluorescence targets(Be, cromox, yag:ce) for very low current beam diagnostics Very low current beam image on 1 Inc yag:ce