Date post: | 01-May-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | eloisa-bartoli |
View: | 215 times |
Download: | 2 times |
Università degli Studi di Roma Tor Vergata
Tesi di Laurea in Fisica
Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali
“Caratterizzazione di un calorimetro omogeneo”CandidatoFlavio Archilli
Relatori:Prof. Carlo SchaerfProf.ssa Annalisa D’AngeloCorrelatori:Dott. Giovanni MazzitelliDott. Bruno Buonomo
Infinitamente piccoloPer esplorare l’infinitamente piccolo
abbiamo bisogno di strumenti adatti, e calibrati
RivelatoriCi forniscono informazioni su:Tipo di particellaPosizione ImpulsoEnergia
Calorimetri
Misura dell’energia delle particelle
Interazioni radiazione materia
Perdita di Energia(assorbimento totale)
Obiettivo
Studiare la linearità e la risoluzione di un calorimetro elettromagnetico omogeneo a vetro al piombo utilizzando un fascio a multibunch di 500 MeV
Calorimetro
Materiale attivo Fotomoltiplicatore
•A sampling: materiale attivo alternato da materiale passivo
•Omogeneo: tutto materiale attivo
Trasforma un segnale luminoso in segnale elettrico
Componenti
Tipo di Calorimetro utilizzatoCalorimetro elettromagnetico omogeneo a vetri a piombo drogato al cerioFotomoltiplicatore
Vetro a piombo
Modello semplificato (app. “A” Rossi) per studiare la perdita di energia di una particella all’interno del calorimetro
Interazione radiazione-materia
•Bremsstrahlung•Creazione Coppie da parte del fotone di Bremsstrahlung
Cascata elettromagnetica
Perdita per ionizzazioneScintillazione
E>Ec
E<Ec
L’elettrone incide sul materiale attivo
radcoll dx
dE
dx
dE
Dove l’energia
critica è definita dalla relazione
Cascata elettromagneticaUnità del processo
Lunghezza di radiazione X0: lunghezza dopo la quale l’energia di una particella diminuisce di un fattore 1/e
Raggio di Moliere:RM=X0(21,2MeV/Ec)
MODELLO
ttN 2)( t
EtE
2)( 0 ct E
EtE
max2)( 0
max
t =
c
tt
E
EetN 02ln
maxmaxmax2)(
La strumentazioneCaratteristiche fisiche del vetro a piombo:X0=2.07 cmRM=2.4 cm=4.6 g/cm3
Ec= 21 MeVLunghezza vetro a piombo 40cm 20 X0
5 cm di lato 1 RM dal centro sezione del vetro
Problemi di contenimento?Un fascio di 30 GeV è completamente contenuto longitudinalmente in 20 X0
Esperimento a 500 MeV TRANQUILLI!In 2 RM è contenuto il 95% della componente trasversale della cascata
ScintillazioneScintillatore: 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 dell’ordine 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 all’energia depositata.
FotomoltiplicatoreIl fotomoltiplicatore trasforma i fotoni in un segnale elettrico sfruttando l’effetto fotoelettricoÈ costituito da un catodo fatto di materiale fotosensibile, seguito da un sistema di focalizzazione euna 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 dall’anodo è una corrente proporzionale ai fotoni raccolti nell’unità di tempo. Per l’esperienza abbiamo utilizzatoun fotomoltiplicatore Cern/Type 4238 alimentato a 700 V
LINACIl 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 l’altro
E=eV
Essendoci n tubi l’energia cinetica risulterà
E=neV Produzione di pacchetti di particelle
Energia max e- in uscita 800 MeV
Corrente in uscita 150 mA
E measurement
Fast dipole (2.8°/ 0°)
Pulsed dipole: 3.2°/ 7°
BTF
To main rings
BTF layout
N
. o
f p
art
icle
s
detector
Attenuazione del fascio del LINAC
tunable W target:1.7, 2.0, 2.3 X0
LINAC Beam 1-500 mA
W slits
W slits
Selected energy (MeV)
450 magnet
Laboratorio BTF
Energy Range 25-750 MeV e-/e+
Max. Repetition Rate 50 Hz
Pulse Duration 1-10 ns
Current/Pulse 1 to 1010 particles
Allowed Current 103 particles/second
510
28.346beamdipole EI
510
7.324beamdipole EI
Elettronica di acquisizione
CARATTERISTICHE CALORIMETROLinearità
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 all’energia dell’elettrone incidente
Non avendo la possibilità di estendere a moltiordini di grandezza l’energia del nostro fascio, applichiamo l’idea secondo cui due elettroni sianoassimilabili ad un unico elettrone con energia doppia, e così via. Questa ipotesi è in accordo conla linearità tra numero di particelle prodotte nella cascata e l’energia della radiazione incidente,però non tiene conto che lo sviluppo della cascata in presenza di una particella ad energia doppiaè più penetrante.
e- e- e-
1000 MeV=
500 MeV 500 MeV+
Risoluzione
ER
E EE fluct
1
const
E system
BE
A
E
2
2
EEE
EE instr
1
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 dall’energia incidente
3° termine dovuto ad errori di calibrazionePer il nostro esperimento assumiamo che la risoluzione sia data solo dal primo ed ultimo termine
Acquisizione datiMisura dell’errore sistematico dovuto al rumore integrato dall’ ADC di carica: piedistallo
Esist = 63±2 counts
Acquisizione datiMisure su fascioEnergia singolo elettrone 405 MeV
Spettro dei conteggi dell’ADC 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
Acquisizione datiAnalisi dei singoli picchi
Acquisizione datiDati ottenuti
Numero e-
Energia Nota MeV
E MeV ADC CountsEmis
Risoluzione Errore sulla risoluzione
1 405 4 183 20 1 0,081 0,005
2 810 8 376 31 1 0,068 0,003
3 1215 12 574 39 1 0,063 0,002
4 1620 16 785 54 2 0,059 0,002
5 2025 20 991 55 2 0,052 0,002
6 2430 25 1207 73 2 0,055 0,002
7 2840 30 1410 78 3 0,054 0,002
8 3240 30 162 79 4 0,048 0,002
Linearità
Dal grafico otteniamo
4.01.2)( misEMeVE
Risoluzione
Il fit viene eseguito utilizzando la funzione
E
PPf fit
21
03.0
systemE
Stimiamo il contributo costante
ed il contributo della fluttuazione statistica
][
065.0
GeVEE fluct
CONCLUSIONI
Verifica analisi teorica sulla linearità del processo di sviluppo della cascataVerificata la relazione di linearità tra la misura e l’energia del pacchetto di elettroni Risoluzione poco maggiore del 9% con fit discreto dei dati sperimentaliPossibili errori di misura possono derivare dal metodo usato (convoluzione delle gaussiane con la poissoniana) e al non totale contenimento trasverso dello sciame elettromagnetico