Studio delle fasi di un esperimento
Stages invernali 2009
STUDENTI
•Bruschini Sara
•Concetti Francesco
•Coppi Gabriele
•De Paolis Alessandro
•Di Biase Boghi Gianluca
•Pompili Marcello
•Princi Giorgio
•Pucci Noemi
•Quarchioni Marta
•Saccucci Francesco
TUTOR
•Scordo Alessandro
•Antonio Romero Vidal
•Oton Vazquez Doce
•Dorel Pietreanu
Indice
 Caratteristiche rivelatori SiPM (Silicon PhotoMultiplier)
Simulazione
 Dati sperimentali
 Analisi dati: raccordo tra simulazione e dati
sperimentali
 Conclusioni
SiPM (Silicon PhotoMultiplier)
Sono costituiti da un array di giunzioni P-N (multipixel) in regime Geiger (binario).
Ogni pixel risponde con un segnale indipendente dal numero di fotoni incidente e di
ampiezza fissata
Tutti i micropixel sono connessi a un substrato comune in modo che il segnale in uscita sia
la somma di tutti i micropixel attivati;.in questo modo si ottiene un segnale proporzionale al
numero di micropixel attivati
I micropixel vengono attivati da radiazione elettromagnetica (fotoni);
abbiamo utilizzato una sorgente beta di Sr 90 per attivare delle fibre scintillanti accoppiate
ai rivelatori e schermato il sistema con del piombo per lavorare in sicurezza.
Descrizione
•
•
L’obiettivo dell’esperimento è lo
studio dei SiPM ed in particolare
la loro risposta ad una radiazione
emessa da una fibra scintillante
Bicron BCF-10 attraversata da
elettroni emessi dalla sorgente
radioattiva Sr90.
La sorgente utilizzata emette
elettroni con impulso compreso tra
0 e 2 MeV (figura)
Decadimento Sr90
Simulazione
- La simulazione ha lo scopo di
ottimizzare l’esperimento
studiando l’energia depositata
aspettata dagli elettroni su una
fibra.
- Abbiamo usato il programma
geant3, che consente di costruire
le geometrie degli esperimenti, le
caratteristiche dei materiali
utilizzati e raccogliere i dati in
istogrammi.
Descrizione della simulazione
Descrizione della simulazione
La nostra simulazione e stata strutturata nel seguente modo:
- Una sorgente puntiforme di
elettroni posta sopra la fibra.
- Fibra composta di Polimetilmetacrilato
(PMMA) e Polistirene
- Lo spessore della fibra era di 1mm
- Quattro mattoni di piombo di misure
2,4x5,0x10,0 cm usati come protezione.
- Un piano di appoggio di ferro.
Dati e grafici
La simulazione ha come input per il fascio la sorgente di Sr90 utilizzata
nell’esperimento
Energia media
persa dagli
elettroni (172 KeV)
Gli elettroni lasciano in media sulla fibra un’energia pari a 172 KeV
....lavorare in sicurezza....
Prima di effettuare l’esperimento
abbiamo
Voluto controllare che con un
adeguato schermatura in piombo
gli elettroni della sorgente non
uscissero dal setup
Nella simulazione sono stati
inseriti quindi i panetti di piombo
per fare la verifica
Abbiamo lavorato in sicurezza
perche` come si puo` notare
l`energia cinetica finale
dell`elettrone e` praticamente nulla
(me=511KeV)
Risultati della simulazione
Energia media persa ~ 172 KeV
344 fotoni (~ 2000 ph/MeV)
Trapping efficiency nominale ~ 4%
14 fotoni
Lunghezza di attenuazione ~ 2.2 m (1/e)
13 fotoni (20 cm)
Q.D.E. (Efficienza) ~ 50 %
6 fotoni
Lettura di un SiPM
3 fotoni
Ci aspettiamo quindi di vedere sui rivelatori
un segnale corrispondente a 3 fotoelettroni
Dark count
È il rumore termico di fondo del rivelatore e si riduce con
l’abbassamento della temperatura del sensore e con la
riduzione del voltaggio applicato.
Il dark count influisce sulle misure e
va quindi accuratamente studiato!
Lo spettro caratteristico del dark count consiste
in picchi da 1, 2 o 3 fotoelettroni (pe).
Scaler
Per quantificare l’influenza del rumore sui nostri dati abbiamo cercato di studiare la
Frequenza dei picchi con e senza sorgente!
Abbiamo notato che solo a partire dal quarto
picco il contributo del Dark Count e` trascurabile (S/B ~ 100/1).
Dark count
Con sorgente Sr 90
(senza sorgente Sr 90)
Esperimento
Fibra scintillante
BCF-10; diametro
1mm
Sorgente Sr90
SiPM
Segnale collegato
Trigger SiPM
(Segnale migliore di 4 pe)
Analisi Dati
Il grafico mette a confronto
i dati ottenuti dai rivelatori.
Ogni picco corrisponde ad un pixel attivato
(p.e.), l`ordinata indica il numero di eventi,
l`ascissa rappresenta i canali ADC.
L`istogramma rosso rappresenta il segnale
in uscita dal rivelatore utilizzato come trigger
per l’ADC (> 4 p.e.).
L’istogramma blu è il segnale visto dal
rivelatore posto dal lato opposto della fibra.
Cosa abbiamo ottenuto?...(guardate un po`)
Percentuale eventi per picco
La figura mostra un fit con 4 gaussiane a
fondo lineare
1 p.e.
17%
2 p.e.
19%
3 p.e.
18%
4 p.e.
13%
La tabella mostra che I
picchi con maggior
numero di eventi sono il 2
e il 3. Abbiamo rilevato
2~3 p.e. La simulazione
ne prevedeva 3, quindi il
nostro fattore di
accoppiamento e` ~75%.
Conclusioni
Questa esperienza e` stata nuova ed interessante perche` abbiamo messo in
pratica cio` che solitamente a scuola non è trattato:
• come funzionano i rivelatori al silicio e quali sono le loro applicazioni
• a cosa serve e come si crea la simulazione di un esperimento
• a raccogliere dati con i rivelatori SiPM
• ad analizzare i dati sperimentali e a visualizzarli in istogrammi
Ringraziamo per l`occasione offerta l` INFN-LNF