Messa a punto finale dei Calorimetri a Zero Gradi per l’esperimento ALICE
Candidata: Grazia Luparello
Relatore: Prof. Mauro Gallio
Controrelatore: Prof. Ezio Menichetti
Università degli Studi di TorinoUniversità degli Studi di Torino
Laurea Magistrale in Fisica delle Interazioni FondamentaliLaurea Magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali
24/09/2007 G. Luparello 2
Sommario
L’esperimento ALICE
I Calorimetri a Zero Gradi La misura della centralità Il calorimetro per neutroni e quello per protoni
I test eseguiti
Risultati dei test
Conclusioni
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L’esperimento ALICE
Central Barrel Braccio Dimuonico
Rivelatori in avanti
Studia collisioni di ioni piombo a 5.5 TeV per coppia di nucleoni per studiare la formazione del Plasma di Quark e Gluoni
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La centralità
Collisioni centraliCollisioni centrali
Parametro d’impatto piccolo (b)
Molti nucleoni partecipanti
Pochi spettatori
Poca energia negli ZDC
Collisioni perifericheCollisioni periferiche
Parametro d’impatto grande (b)
Pochi nucleoni partecipanti
Molti spettatori
Molta energia negli ZDC
Gli ZDC misurano la centralità delle collisioni misurando l’energia dei nucleoni spettatori
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I Calorimetri a Zero Gradi di ALICE 2 set identici di calorimetri
adronici ai due lati dell’IP alla distanza di 116m
Ogni set comprende:1 calorimetro per neutroni (ZN) + 1 calorimetro per protoni (ZP)
Neutroni e protoni spettatori sono separati dagli elementi magnetici dell’LHC
Accettanza ZP ~ 86% ZN ~100%
←IP
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Funzionamento del calorimetro
I fotoelettroni vengono moltiplicati dai dinodi dei PM La carica raccolta all’anodo è: Qa = G * Nphe *e
La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle particelle
La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle particelle
Principio di funzionamento basato sulla rivelazione della luce Cherenkov prodotta nel materiale attivo dalle particelle dello sciame
Fotoni Cherenkov prodotti nel materiale attivo (fibre)
Calorimetro
Nucleone incidente
Sciame
Fotocatodo
Fotoelettroni
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Il Calorimetro per NeutroniDimensioni 7.2 x 7.2 x 100 cm3
Materiale passivo Lega di W e Ni-Fe
(ρ=17.6 g/cm3)
93.5 % W, 6.5%Ni-Fe
Spessore strati 1.6 mm
Materiale attivo 1936 fibre di quarzo
Distanza tra le fibre 1.6 mm
Diametro fibre (core) 365 μm
Apertura numerica 0.22
Rapporto volumico 1/22
5 fotomoltiplicatori
Tipo HAMAMATSU R329-02
Efficienza quantica del 25%
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Il Calorimetro per Protoni
PMT 1
PMT 2
PMT 3
PMT 4
PMT c
Dimensioni 22.8 x 12 x 150 cm3
Materiale passivo Ottone
(ρ=8.48 g/cm3)
Spessore strati 4mm
Materiale attivo 1680 fibre di quarzo
Distanza tra le fibre 4 mm
Diametro fibre (core) 550 μm
Apertura numerica 0.22
Rapporto volumico 1/65
5 fotomoltiplicatori
HAMAMATSU R329-02
Efficienza quantica del 25%
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Test effettuati• Calorimetri testati con fasci di pioni e elettroni ad energie comprese fra i 50 e i 200 GeV
• PM caratterizzati in laboratorio prima del montaggio
Caratterizzazione dei PM:1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo
fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato
2) Costruzione della curva di guadagno
Caratterizzazione dei PM:1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo
fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato
2) Costruzione della curva di guadagno
Prima dell’inizio dei run: Scelta della tensione di alimentazione iniziale dei PM
Durante i run: Monitoraggio della stabilità del guadagno Controllo della trasparenza delle fibre → le misure devono essere ripetibili
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Setup per le misure con i raggi cosmici Trigger: Coincidenza di 2 scintillatori Rate di trigger:
ZN circa 1.5 µ/s
ZP circa 10 µ/s
μScintillatori
Calorimetro
PM
I muoni non sciamano attraversando il calorimetro
L’energia persa è sufficiente per produrre (nel 3%dei casi circa) al fotocatodo un solo fotoelettrone che viene moltiplicato
La carica raccolta all’anodo è portata ad un modulo fan in – fan out e poi ad un ADC che la converte in un segnale digitale
→ si costruisce lo spettro in ADC
Caratteristiche ADC:
• 4096 canali
• Per ogni segnale in ingresso vengono date due misure di carica:
High range: 200 fC/ch
Low range: 25 fC/ch
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Spettri di singolo phe dai cosmici (I)ZN1T3 HV = 2150 VZN1T3 HV = 2150 V
μ2-μ1 = (33.5 ± 0.4) ch Guadagno = (0.523 ± 0.006)*107e
25fC/Ch)μ(μG 12
con
teg
gi
canali ADC
Piedestallo(μ1)
Singolo phe (μ2)
2 phe (μ3)
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Spettri di singolo phe dai cosmici (II) μ2-μ1 = (71.3 ± 0.9) ch
Guadagno = (1.12 ± 0.01)*107
ZN1T3 HV = 2400 VZN1T3 HV = 2400 V
canali ADC
con
teg
gi
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Setup per misure con laserFibre
ZNZPLaser
Fenditura filtri
PM riferimento
Fibre
Filtri: Kodak Wratten Gelatin Filter con densità D variabile da 0.1 a 4
Itrasmessa = 10-D * Iemessa
Per ottenere il singolo phe → D=4 Frequenza laser: 1kHz
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Spettri di singolo phe dal laser
μ2-μ1 =(61.3±0.1) ch
G = (0.958±0.002)*107
Spettro in ADC simile a quello per i cosmici Statistica più alta Più eventi nel picco del singolo phe
ZN1T3 HV = 2332 V
canali ADC
con
teg
gi
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Risultati ottenuti
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Osservazioni
I guadagni assoluti calcolati con i due diversi metodi sono in accordo tra loro
Entrambi i metodi sono utilizzabili per il monitoraggio della stabilità
Raggi cosmici: Tempi di esecuzione lunghi Misura sempre possibile anche durante la presa dati di ALICE
Impulsatore laser: Tempi di esecuzione brevi (frequenza di 1 kHz) Misura possibile solo nei periodi di non funzionamento dell’LHC
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Curva di guadagno
I PM sono stati caratterizzati ad alte HV Il guadagno a basse HV è stato estrapolato dai guadagni ad alte HV
Per avere dati sperimentali da confrontare con le estrapolazioni si illuminano le fibre con una luce laser ad alta intensità in modo da poter usare i PM a basse HV
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Curva di Guadagno: Procedura (I)Il set up usato è lo stesso usato per misurare il singolo phe con laser.
Si usa l’ADC in High Range:
→ 200 fC/ch
Spettro in ADC con piedestallo sottratto
ZN1T1ZN1T1
HV=1020V
Si fissa l’intensità del laser al valore massimo
Si sceglie una tensione iniziale dei PM attorno ai 1000V per andare a misurare il guadagno anche in una regione al di sotto della zona di lavoro ipotizzata
Si attenua la luce del laser usando un filtro con D=1
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Curva di Guadagno: Procedura (II)
HV=1220V
HV=1320V
HV=1120V
HV=1327V
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Curva di guadagno: Procedura (III)Aumentando ancora la tensione si otterrebbe un segnale all’ingresso del
fan in – fan out maggiore di 1.5V
→ si inserisce un filtro con densità maggiore: D=2
Si torna ad avere un segnale <1.5 V.
Il picco è di nuovo ad un canale basso dell’ADC
Si torna ad avere un segnale <1.5 V.
Il picco è di nuovo ad un canale basso dell’ADC
HV=1327V
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Canale ADC vs. HV
D=1 D=2
D=2.4
D=3
D=3.1
D=3.2
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Canale ADC vs. HV
Si raccordano i punti moltiplicandoli per un opportuno coefficiente ottenuto dal grafico
precedente
Si raccordano i punti moltiplicandoli per un opportuno coefficiente ottenuto dal grafico
precedente
La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni
assoluti
Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*107
La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni
assoluti
Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*107
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La curva di guadagno
Curve non coincidenti ad HV<1800 V
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Linearità
Le 2 curve ottenute dalle estrapolazioni sono in accordo tra loro e sono sempre al di sopra dei dati sperimentali
Tale fenomeno è collegabile ad un problema di
non linearità dei PM quando l’intensità luminosa è alta e la tensione di alimentazione è bassa
Sono in corso serie di misure per studiare la regione di linearità dei PM
variando la luce incidente tenendo fissa la tensione di alimentazione
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Conclusioni
Guadagni assoluti Per ognuno dei 20 PM sono stati calcolati i guadagni assoluti a tensioni
di alimentazione maggiori di 1800 V. Sia le misure con i cosmici sia quelle con il laser permettono di
caratterizzare i PM a HV>1800 V. Entrambi i metodi possono essere usati per monitorare PM e fibre
→ l’elettronica necessaria andrà inserita nello schema generale di trigger.
Curve di guadagno Per ogni PM sono state costruite le curve di guadagno in un intervallo di
tensioni compreso tra 1000 e 2700 V.