Università degli studi di Roma
‘’Tor Vergata’’
Facoltà di SS.MM.FF.NN
Corso di Laurea Triennale in Fisica
Tesi di Laurea:
Equalizzazione e caratterizzazione di un settore di
calorimetro elettromagnetico a campionamento in
piombo e fibre ottiche scintillanti
Relatore:
Prof.ssa Annalisa D’Angelo
Correlatori:
Dott. Paolo Valente
Dott. Tommaso Spadaro
Laureando:
Giordano Cattani
Anno Accademico 2004 / 2005
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)
Il rivelatore (1)
Calorimetro elettromagnetico a
campionamento:
• Piombo e fibre ottiche scintillanti
(Kuraray SCSF-81);
• densità media piombo/fibre/colla 5 g cm3
•
x0  1.2cm (spessore 21x0 )
•
RM  1.5cm
• PM Hamamatsu R1398
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)
4.2 cm
Lato ‘New’
x0  1.2cm
RM  1.5cm
25.4 cm
Lato ‘Old’
Beam
13.8 cm
50.0 cm
25.4cm
 21x0
1.2cm x0
4RM  6cm
4.6 cm
7.0 cm
Tutto lo sciame è contenuto nello
strumento!!
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
I Raggi Cosmici (2)
Perché la componente dura è
costituita da particelle al
minimo di ionizzazione (mip)
e rilasciano la stessa energia
in medesimi spessori dello
stesso materiale.
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)
• 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.
Esempio di spettro in conteggi di ADC ottenuto
nell’acquisizione con i Raggi Cosmici.
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)
• 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.
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’).
Acquisizione con il fascio
Le principali caratteristiche del fascio utilizzato nella
presente presa dati sono:
• 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.
Acquisizione con il fascio (piedistallo)
Anche nell’acquisizione dei
dati del fascio di elettroni è
sempre presente il rumore.
Per rimuoverlo è necessario:
• 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.
Esempio di piedistallo ottenuto nelle
condizioni di acquisizione del fascio.
Acquisizione con il fascio (energia del bunch)
Emis _ bunch  
i
ADCi  ped i
 mipi
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.
• rumore di fondo
• picco dello spettro energetico
dell’elettrone
• picco dello spettro energetico di
due elettroni
Spettro energia bunch rilevata dal lato
‘old’ per un elettrone con energia di
397 MeV.
Il fit gaussiano fornisce il
valore medio e la deviazione
standard usati per lo studio
della linearità e risoluzione
del calorimetro
Caratterizzazione
(linearità lati ‘old’ e ‘new’)
Emis  kE(MeV )  9.5
Emis  kE( MeV )  7.0
Grafici della linearità del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’
k  0.1conteggiADC /( mip MeV )
Caratterizzazione
(risoluzione lati ‘old’ e ‘new’)
Rold  0.098
Rnew  0.088
Grafici della risoluzione del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’
Il fit dei dati sperimentali per la risoluzione è stato eseguito con
una funzione del tipo:
 ( E )  ( P1) 2 E  ( P 2) 2 E 2  R E
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.
2
 Eold   Enew 

  

  old    new 
E
1
1

2
2

old

E l’errore sulla misura è dato dalla
seguente relazione:
2
1

2
tot

1

2

old
1
 2 new
new
Di conseguenza anche la stima del termine stocastico alla risoluzione dello
strumento migliora:
  tot 



 E  stochatic
Rtot
E (GeV )
2
con
2
 1   1 
  
  0.066
Rtot  
 Rold   Rnew 
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.