Laureando:Giordano Cattani

Anno Accademico 2004 / 2005

Università degli studi di Roma‘’Tor Vergata’’

Facoltà di SS.MM.FF.NNCorso di Laurea Triennale in Fisica

Tesi di Laurea:

Relatore: Prof.ssa Annalisa D’Angelo

Correlatori:Dott. Paolo Valente

Dott. Tommaso Spadaro

Equalizzazione e caratterizzazione di un settore di calorimetro elettromagnetico a campionamento in

piombo e fibre ottiche scintillanti

Scopo del lavoro

Equalizzazione e studio della linearità e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico.

• Utilizzando Raggi Cosmici • Impiegando un fascio di elettroni con energia variabile da pochi MeV al valore nominale di circa 500 MeV

DAFNE Beam Test Facility (BTF) dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF,) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

(INFN)

Calorimetro elettromagnetico a campionamento:

• Piombo e fibre ottiche scintillanti (Kuraray SCSF-81);

• densità media piombo/fibre/colla

• (spessore )

•

• PM Hamamatsu R1398

Il rivelatore (1)

35 cmg

cmx 2.10

cmRM 5.1

021x

I PM sono posti su entrambi i lati del corpo centrale su cui

incide la radiazione.

Il rivelatore (2)

Struttura interna:

• 200 strati di piombo;

• 200 strati di fibre ottiche scintillanti;

• Resina epossidica.

Particolare della struttura interna. Si vedono gli strati di Sci-Fi e piombo

attraverso gli alloggiamenti per le guide di luce.

Il rivelatore (3)

Beam13.8 cm

25.4 cm

50.0 cm

4.6 cm

4.2 cm

7.0 cm

Lato ‘New’

Lato ‘Old’

Tutto lo sciame è contenuto nello strumento!!

cmx 2.10

cmRM 5.1

00

212.1

4.25x

xcm

cm

cmRM 64

Il rivelatore (4)

Per convogliare verso i PM la luce prodotta per scintillazione nelle fibre si usano delle guide di luce con un estremo sagomato opportunamente.

Cono di Winston.

Vantaggio:

permette di focalizzare la luce proveniente dal

materiale attivo e distribuita su una superficie ampia verso

il PM di sezione minore, degradandone poco

l’intensità.

Guide di luce durante l’assemblaggio del lato ‘new’.

Efficienza del 90/95%

Equalizzazione del calorimetro

L'equalizzazione si rende necessaria in quanto i fotomoltiplicatori, anche se dello stesso modello ed operanti alle tensioni di specifica, non hanno lo stesso guadagno a

parità di tensione di alimentazione applicata.

In che modo si può equalizzare?

Utilizzando i Raggi Cosmici

I Raggi Cosmici (1)

• Prodotti da sorgenti galattiche ed extragalattiche;

• Raggi Cosmici primari (p, e,…);

• Raggi cosmici secondari: dall’interazione con nuclei dell’atmosfera e suddivisi in componente dura (70%, muoni...) e componente morbida (30%);

• distribuzione angolare con picco sulla verticale.

Perché usarli per equalizzare il nostro calorimetro?

Composizione dei raggi cosmici

Credit: www.scienzagiovane.unibo.it

Perché la componente dura è costituita da particelle al

minimo di ionizzazione (mip) e rilasciano la stessa energia

in medesimi spessori dello stesso materiale.

I Raggi Cosmici (2)

Grafico della perdita dell’energia in funzione dell’energia della particella

incidente per la formula di Bethe - Block

Elettronica di acquisizione

Risultati acquisizione con i cosmici (1)

Esempio di spettro in conteggi di ADC ottenuto nell’acquisizione con i Raggi Cosmici.

• Picco del rumore di fondo detto piedistallo

• Picco energetico rilasciato dal passaggio della mip

Il piedistallo va sottratto allo spettro rilasciato dai muoni!!

Eseguiamo un fit del picco del solo rumore con la

funzione gaussiana e poi sottraiamo i valori medi

ottenuti dai dati dell’ADC del singolo PM.

Risultati acquisizione con i cosmici (2)

Per ripulire il lo spettro dei muoni che si va a sovrapporre al piedistallo si è elaborato un

programma in FORTRAN tramite il quale si sono selezionati solo gli eventi corrispondenti a traiettorie quasi verticali dei muoni nel calorimetro. Ciò è stato

realizzato richiedendo che il segnale nel fotomoltiplicatore sia in coincidenza con segnali sopra

il rumore per tutti i fotomoltiplicatori posti geometricamente nella medesima colonna.

Risultati acquisizione con i cosmici (3)

Spettro in canali di ADC del segnale ottenuto al passaggio dei muoni a cui è stato sottratto il piedistallo. La distribuzione rossa (blu) è stata ottenuta senza applicare (applicando) la condizione di coincidenza geometrica con i PM della stessa colonna. (sono visualizzati solo alcuni canali del lato ‘old’).

• Gli ultimi due canali del lato ‘old’ malfunzionanti e terzultimo con problemi.

• il valore medio del fit gaussiano del picco energetico del muone (Emip) fornisce il fattore di normalizzazione per i segnali di ciascun PM.

Acquisizione con il fascio

• Composto da ‘pacchetti’ denominati bunch;

• Molteplicità impostata in media ad 1 elettrone per bunch;

• Energie di 111, 180, 266, 397 MeV;

• Errore assoluto sull’energia dell’1%;

• Frequenza di arrivo dei bunch in sala di 50 Hz.

Le principali caratteristiche del fascio utilizzato nella presente presa dati sono:

Acquisizione con il fascio (piedistallo)

Anche nell’acquisizione dei dati del fascio di elettroni è sempre presente il rumore.

Per rimuoverlo è necessario:

Esempio di piedistallo ottenuto nelle condizioni di acquisizione del fascio.

• far partire la presa dati con il trigger di macchina

ma senza particelle

• sottrarre il valore medio della distribuzione ottenuta ai valori

dell’energia rilasciata dal bunch in ogni canale.

Acquisizione con il fascio (energia del bunch)

Dalla somma degli spettri dell’energia rilasciata dal bunch in ogni canale di acquisizione in ogni

singolo lato, sottratti del piedistallo e normalizzati all’Emip corrispondente, si ottiene la distribuzione dell’energia

totale rilasciata nell’intero calorimetro.

Spettro energia bunch rilevata dal lato ‘old’ per un elettrone con energia di 397 MeV.

• rumore di fondo

• picco dello spettro energetico dell’elettrone

• picco dello spettro energetico di due elettroni

Il fit gaussiano fornisce il valore medio e la deviazione standard usati per lo studio della linearità e risoluzione

del calorimetro

i imip

iibunchmis

pedADCE

_

Caratterizzazione (linearità lati ‘old’ e ‘new’)

Grafici della linearità del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’

5.9)( MeVkEEmis

)/(1.0 MeVCconteggiADk mip

0.7)( MeVkEEmis

Caratterizzazione (risoluzione lati ‘old’ e ‘new’)

Grafici della risoluzione del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’

088.0newR098.0oldR

Il fit dei dati sperimentali per la risoluzione è stato eseguito con una funzione del tipo:

EREPEPE 222 )2()1()(Con P1 parametro del contributo stocastico e P2 parametro del termine costante per la stima alla

risoluzione per ciascun lato.

Risoluzione

Le misure dell’energia fornite dai due lati sono misure indipendenti della stessa grandezza fisica, pertanto l’energia misurata si può

ottenere dalla media pesata della risposta fornita dai due lati.

newold

new

new

old

old EE

E

22

22

11

E l’errore sulla misura è dato dalla seguente relazione:

newoldtot222

111

Di conseguenza anche la stima del termine stocastico alla risoluzione dello strumento migliora:

066.011

22

newoldtot RRR

)(GeVE

R

Etot

stochatic

tot

con

Conclusioni

• Il calorimetro soddisfa molto bene la relazione di linearità per entrambi i lati ‘new’ ed ‘old’;

• I risultati ottenuti per la misura della risoluzione sono soddisfacenti ed il fit dei dati sperimentali risulta essere discreto;

• Dato il basso numero di eventi in cui il bunch è costituito da due elettroni, il secondo picco non è ben definito ed il fit gaussiano risulta poco accurato. Pertanto si è preferito utilizzare solo la risposta fornita da un singolo elettrone per ogni valore dell'energia utilizzato.