1

Адронный калориметр эксперимента LHCb

Ю. Гуз (ИФВЭ)

1. устройство

2. характеристики

3. светодиодная система мониторирования

4. система калибровки источником 137Cs

5. текущее состояние

2

LHCb HCALОсновное назначение адронного калориметра LHCb – выработка триггера L0 на адрон с высоким поперечным импульсом:

Требования:

скорость (цикл 25 нс)

рад. загрузка: ~100 krad/год вблизи пучка

ограниченный размер по глубине (между ECAL и мюонной системой)

достаточно «стандартного» энергетическго разрешения Предполагается, что ~70% решений триггера L0 будет вырабатываться с учетом информации с адронного калориметра

Выбрана структура железо-сцинтиллятор, ориентированная вдоль направления пучка (аналог ATLAS TileCal). Имеется встроенная система автокалибровки на основе радиоактивного источника 137Cs, а также система мониторирования на основе светодиодов.

ГэВE hadT 5.3

3

LHCb HCAL : структура

структура железо-сцинтиллятор, ориентированная вдоль направления пучка (TileCal):

пучок

ФЭУ

spacers

спектросмещающиеволокна

смесительmaster plate

сцинтилляторГлавные пластины (master) 6 мм

Проставки (spacers) 4 мм

сцинтиллятор 3 мм

Шаг структуры:

продольный 200 мм

поперечный 20 мм

6 секций в продольном направлении (~6 λI): при высоких энергиях заметная утечка ливня в продольном направлении (что не влияет на качество выработки триггерного решения)

4

Спектросмещающие волокна: KURARAY Y11(250)MS Ø1.2 mm

Длина затухания ~ 3.5 м

Время высвечивания τD ~ 7 нс рад. стойкость: ~ 500 крад

Сцинтиллятор: полистирол +1.5% PTP +0.03% POPOP

Пластины толщиной 3 мм:256x197mm (внешняя зона), 127x197 mm (внутренняя)

Обернуты 100 мкм пленкой Tyvek (диффузное отражение, > 90% )

✜ концы волокон алюминизированы

✜ компенсация затухания: длиной оптического контакта

LHCb HCAL : структура

5

LHCb HCAL

2 независимые сборки по 26 модулей на подвижных платформах размер: 8.4 x 6.8 х 1.54 м3 длина чувствительной области: 120 см вес ~500 т. размер ячейки: 262.6x262.6 мм2 (внешняя зона), 131.3 x 131.3 (внутренняя)1488 ячеек (608 внеш. + 880 внутр. ) Модуль: поперечный размер 4201х262

мм2;16 внешних или 8 внеш + 32 внутр ячеек Вес ~9.5 тонн

6

LHCb HCAL: фотоприемникФЭУ: HAMAMATSU R7899-20

Модификация R7899, специально для LHCb бищелочной фотокатод, рад. стойкое УФ окно (185-650 нм) QE 15% на 520 нм 10 динодов линейность ±2% темновой ток: < 2.5 нА макс. ток анода: 100 мкА Эффект загрузки: < 1% при токе анода > 10 нА

Индивидуальный регулируемый источник высокого напряжения для каждого ФЭУ (схема Кокрофта-Уолтона, работоспособен до ~1 Mрад); управляющие модули вне рад. зоны

Для компенсации 7 нс времени высвечивания волокон используется цепь укорочения сигнала на основе коакс. кабеля (по этому же кабелю подается сигнал на измеритель тока (интегратор) системы 137Cs калибровки.

Параметры укорачивающей цепи оптимизированы для сигнала от адронов

7

LHCb HCAL: основные характеристики

)%(E

)%(Eσ 29

569 ~3% угловая зависимость на высокой энергии: утечка ливней

Световыход (с R7899-20): ~105 ф.э./ГэВ

(тесты на пучке 1999-2003)

8

LHCb HCAL: регистрирующая электроника

P m

B uffe r In te gra tor

Vs s

Vd d

A na log C hip

B IC M O S 0 .8 um Inte gra te d c irc uit 4 c ha nne ls pe r c h ip

+

-

5 n s

2 5

6 5

2 7

4 5

1 2 M

3 3 3 7

5 1 .1

3 3

3 3 0

3 .3 k1 .5 K

2 5 n s

11 0

2 .2 n F

4 7 0 p F

2 7

2 2 n F

1 .0 7 k

A D C1 2 b its 4 0 M h z

4 p F

2 .7 k

4 .7 k

1 n F

1 n F

4 .7 k

4 .7 n F

+ 3 V

1 0 k

Регистрирующая электроника:

“dead timeless”: на выходе аналоговой обработки – интеграл входного сигнала за предшествующие 25 нс

12 бит 40 МГц flash АЦП

чувствительность 20 фКл / отсчет

период оцифровки 25 нс

FIFO 256 событий

момент оцифровки подстраивается с шагом 1 нс

цифровая обработка для выработки триггерного решения: нахождение локальных максимумов и суммирование сигналов в сборках 2x2 (индивидуальный весовой фактор для каждой ячейки)

встроенная тестовая система

9

LHCb HCAL: мониторная система на светодиодах

• синий светодиод (WU-14-750BC, Wustlich)• два независимых светодиода на модуль• регулируемая амплитуда импульса• каждый светодиод мониторируется индивидуальным PIN фотодиодом для учета возможной нестабильности• разводка света прозрачными волокнами одинаковой длины • задержка запускающего импульса светодиода подстраивается с шагом 1 нс

10

LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs Использована разработка для ATLAS TileCal

(гидравлический метод перемещения капсулы). По центру каждой из 6 продольных секций модуля HCAL проходит трубка, по которой перемещается капсула с источником (27 м на модуль). Все 26 модулей каждой половины детектора соединены последовательно.

Во время движения источника (137Cs, ~ 10 мКи) измеряется средний ток ФЭУ

188 8-канальных плат интеграторов установлены рядом с ФЭУ. 4 диапазона: {0.3, 1.5, 9, 50} мкА; время интегрирования ~ 1.5 ms; 12 бит АЦП Считывается независимо от основной системы сбора данных LHCb

«Гараж»

капсула

11

Источник движется с постоянной скоростью (20..30 см/с) зависимость тока от времени при прохождении источника через ряд пластин I(t) представляется в виде взвешенной суммы (эмпирически полученных) функций отклика, расположенных с одинаковым интервалом Δt:

N

ii tittfctI

10 )()(

ci (пропорциональны

световыходу каждой сцинт.

пластины)

I, отсчеты АЦП

LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs

При сборке детектора каждый модуль проходил тест 137Cs: требовалось, чтобы отклики всех пластин ячейки лежали в пределах ±20%

При калибровке используется сред-нее значение тока по всем 6 рядам пластин

t, мс

12

Точность калибровки 137Cs изучалась в тестах на пучке: калибровки на 137Cs и 50 ГэВ π― согласуются на уровне 2-3% .

Внутренняя зонаВнешняя зона

LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs

Измерено отношение чувствительностей к 137Cs и к адронам: C=41.07 (20.88) (нА/мКи)/(пКл/ГэВ) для внешних (внутренних) ячеек.

Ожидаемая сист. ошибка ≈10% - в основном, точность определения активности источника

NB Точность калибровки зависит также от характеристик «быстрой» электроники: разброса чувствительностей каналов, точности временнόй привязки, ...

13

Номинальный режим (PHYSICS): для удобства вычисления ET – чувстви-

тельность пропорциональна расстоя-нию до оси пучка. Принято, что максимальный входной сигнал АЦП будет соответствовать ET

max=15 ГэВ , триггер ET >3.5 ГэВ

COSMICS: одинаковая чувствитель-ность Emax ≈80 ГэВ , триггер E >1.5 ГэВ

I, n

A

Ожидаемые анодные токи HCAL, нА при светимости L=2·1032 cm-

2s-1, HV соответствует ETmax=15 GeV,

LHCb HCAL: настройка высокого напряжения

Анодный ток в ФЭУ адронного калориметра будет непрерывно мониторироваться в ходе приема данных: независимая информация об относительной светимости, дозах, …

14

LHCb HCAL: состояние

HCAL

✔Установка модулей на платформы в зоне эксперимента: май-июль 2005

✔ Запуск систем высоковольтного питания, светодиодной калибровки, интеграторов, гидравлики перемещения капсулы, ... – 2006-2007

✔ Установка и запуск регистрирующей и триггерной электроники : 2007

✔ Начало работы на космическом излучении: ноябрь 2007

✔ Первый сеанс калибровки 137Cs: июль 2008

В настоящее время:

✔ > 99.8% каналов работоспособны, откалиброваны, настроены по задержкам

✔ Регулярно проводятся сеансы 137Cs калибровки и тесты на светодиодах, для изучения состояния детектора и проверки долговременной стабильности

✔ > 50% времени в рабочем режиме: необходим для выработки триггера для событий космического излучения, используемых для калибровки других подсистем LHCb

Июль 2005

15

LHCb HCAL: состояние“Окончательная” калибровка 137Cs: проведена 09/11/2009.

4 прохода источника для получения регулировочных кривых ФЭУ

2 неисправных

I, nA

средний ток ФЭУ при калибровке 137Cs, номинальный режим (Et

max=15 ГэВ)

A, ADC cnts

Средняя амплитуда сигнала от светодиода, Et

max=15 ГэВ

Детектор готов к работе !