I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para...

I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para el proyecto R3B en FAIR

Ignacio Durán – EFN06

Grupo Experimental de Núcleos y Partículas (GENP)Universidad de Santiago de Compostela

H.Alvarez-Pol, J.Benlliure, E.Casarejos, D.Cortina, I.Durán, M.Gascón, N.Montes y D.Pérez-Loureiro

Valencia, EFN06 Ignacio Durán

Índice

• FAIR y el proyecto R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones


FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research )

Nuevo Complejo de aceleradores en GSI Darmstadt (Alemania) 2010.

Haces de núcleos estables, radiactivos y p. Doble sincrotrón +Anillos colisionadores. Mayores intensidades: (1012 iones/s)@ 2-30

GeV/u. Mejor calidad de haces secundarios:

“enfriamiento”.

Programa científico: Estructura nuclear y astrofísica con núcleos exóticos. Física hadrónica con antiprotones. Colisiones entre iones pesados relativistas Física atómica y física de plasmas.


R3B at FAIR

R3B

Reactions with Relativistic Radioactive Beams


El proyecto R3B

Requisitos del detector ToF: Identificación isotópica hasta

A=180. Gran aceptancia angular. Alta granularidad.

Detector de tiempo de vuelo (ToF) para iones pesados

Requisitos del calorímetro:– Eficiencia absorción total: Eff > 80%

hasta Eγ=15MeV– Identificación de fotones: ΔEγ /Eγ < 3%– Multiplicidad: σ(Nγ)/<Nγ > < 10%– Energía suma: σ(Esum)/<Esum> < 10%

Calorímetro gamma de absorción total y alta resolución


Índice

• FAIR y el experimento R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones


Requisitos del Califa

Especificaciones según R3B Technical Proposal:

Absorción total: Eff > 80% hasta Eγ=15MeVIdentificación de fotones: ΔEγ /Eγ < (3-5)%Determinación de multiplicidad y energía suma: σ(Esum) / <Esum> < 10%

Todo ello integrado dentro de R3B y a un coste razonable!

…lo que nos determina:

-Cristales de gran longitud y con las mejores propiedades disponibles (homogeneidad, linealidad…)-Máxima recolección de luz-Alto rango dinámico en la electrónica de lectura, bajo ruido

Plan del CALIFA 2005-2006: I+D en cristales, lectura, diseño… Final 2006: propuesta técnica detallada Primer trimestre 2007: contratación 2007-2009: construcción y control de producción 2010: primer haz en FAIR/GSI


Requisitos del Califa

• Como problema adicional del haz relativista, el boost de Lorentz (β≈0.82) aumenta la energía de los gamma hasta un factor Elab ≈ 3.2ECM

• Para calcular la energía CM se requiere una alta resolución en el ángulo polar: alta granularidad ~5000 cristales

(para un ángulo polar cubierto entre 6 y 130 grad)

• La distribución angular deja de ser isótropa, picando hacia delante

ECM = 10 MeVβ = 0.82


Descripción de la simulación

• Basada en GEANT4 + ROOT• Generador de gammas con boost de Lorentz• Segmentación de acuerdo con la propuesta• Posibilidad de seleccionar diferentes materiales para los cristales y el medio (wrapping, soportes, …)• Cristales separados por 1mm de espacio.• Simulación completa de la pérdida de energía en los cristales del calorímetro.

En verde las trayectorias de los gamma. Los puntos rojos corresponden a interacciones con pérdida de energía en el medio.


Granularidad y perfil del detector

Resolución angular y perfil óptimo

A partir de la relación entre energías LAB y CM, se calcula la resolución angular requerida: Las curvas muestran la resolución en ángulo polar requerida para que la contribución a la reconstrucción de la energía sea una constante

Perfil ideal para un cristal de tamaño cte. Región crítica alrededor de 35º (0.6 rad)


Simulación de sucesos

Actualmente estamos trabajando en el desarrollo del barril central, con cristales de CsI(Tl).

Mediante distintos algoritmos de reconstrucción de las trazas de los gammas, calculamos la eficiencia y la resolución en energía, sumando las energías depositadas en cristales contiguos.


Resolución en energía en función de los algoritmos de reconstruccion

de las trazas


Desarrollos hardware

Cristales

Estamos tratando de encontrar los límites de la resolución alcanzable con los componentes actualmente disponibles:

PMs versus APDs

Electrónica asociada


Estudio de los cristales

!?


La respuesta espectral con FMs

Comparing CsI(Tl) and CsI_pure coupled to different PMs:

UV-extended Borosilicate Green-extended

CsI(Tl)

CsI_pure


Estudios con APDs

Sensibilidad espectral de los APDs

S 8664 – 10 x 10 mm

Respuesta espectral de los APDs acoplados a los cristales


Resultados medidos

Datos adquiridos con preamp. Camberra, osciloscopio y programa propio de analisis

de señal


Resultados medidos

Resumen de resultados obtenidos con cristales de CSI(Tl) de diferentes tamaños

(mejorables mediante control de la temperatura y uso de un preamp. ad-hoc)


Índice

• FAIR y el experimento R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones


Tof-Wall en R3B

Requisitos del detector ToF: Identificación isotópica hasta A=180. Amplia aceptancia angular. Alta granularidad.

Detector de tiempo de vuelo (ToF-Wall) para iones pesados


Identificación isotópica

A=200,E=700MeV/u 15 m de distancia

ToF≈50 ns

σToF < 40 ps

ToF

x3

x1

x2

θBlanco

D

Energía 700 MeV/u


Requisitos del ToF-Wall TAMAÑO

Fisión de 238U a 500MeV/uGRANULARIDAD

2.1320

1.6015

1.0710

0.545

Diámetro (m)D (m)

2.5 cm garantizan una probabilidad de impacto múltiple inferior al 5%

ToF

Blanco

x3

x1

x2

D


Propuesta de uso de RPCs

Detectores de ionización gaseosaCampo eléctrico uniforme: (E=V/d≈100 KV/cm)Avalancha de e- de acuerdo con la ley de Townsend.

Modos de operación: Avalancha: Baja amplificación de la mezcla FEE y

amplificación necesarios Streamer: Carga espacial variaciones en el campo.

Recombinación fotones UV nuevas avalanchas (descarga) rápido, pero tiempo muerto muy grande.

Capacidad de tasa: Limitada por la resistencia de los electrodos:

Permanencia de la carga en los electrodos durante un cierto tiempo

El campo efectivo es menor Peor eficienciaMenor resolución

Auto-extinción de la descarga debido a: Alta resistencia de los electrodos. Absorción de los fotones UV. Captura de los electrones más externos

de la avalancha.

E


RPCs Multi-Gap

Varias placas resistivas equiespaciadas que dividen el gas en diferentes gaps.

El voltaje se aplica a los electrodos exteriores.

Inconvenientes: Mayor complejidad mecánica. Mayor masa interpuesta. Mayor alto voltaje: 2.5 kV/gap

Mejoran la eficiencia y resolución temporal

Nunca usadas para iones pesados!


Prestaciones de las RPCs

Factores:• Mezcla gaseosa• Tamaño del gap• Número de gaps• Voltaje de operación• Electrónica de lectura

HADES(12C)

67>9540.3

ALICE (MIPS)4899.9100.25

FOPI (MIPS)<739760.3

STAR (MIPS)909060.22

Experimentoσ (ps) ε (%)Nº de gaps

Gap (mm)

Prestaciones de las RPCs Multi-gap


Propuesta Conceptual

Tres planos de detección rotados 120º

Ocho módulos de 100 x 26 cm2 por plano.

Aceptancia angular mayor del 99% a 600 MeV/u.

σt = 50 ps /plano σttotal = 50/3 ≈ 30 ps

Electrodos de lectura segmentados:10 tiras/módulo de 2.5 cm δx ≈ 3 mm.

Área celda = 12 cm2 impacto múltiple <5%.

Electrodos consecutivos leídos con un mismo preamplificador

out

out


Prototipos desarrollados

RPC Doble Gap Gap de 300 μm Señal diferencial

G10

Cu

Mylar

Al

Vidrio

Los prototipos construidos están siendo probados con rayos cósmicos.

Tests con haz de iones pesados realizados (Nov 05 y Jul 06)

Análisis en curso


Resultados de test-beam

Distribuciónes de la carga depositada. Cósmicos – Iones y distintas mezclas y HVs

Ajustes a distribuciones de Poisson


Conclusiones

• Estamos en ello!

I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para...

Documents

Transcript of I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para...