kalorimeter, strahlungs{ und wechselwirkungsl angen · homogene em kalorimeter...
TRANSCRIPT
![Page 1: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/1.jpg)
Kalorimeter, Strahlungs– undWechselwirkungslangen
Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers als Abfolge
von Bremsstrahlungs– und Paarbildungsprozessen:
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
e (E )o
Elekromagnetische Strahlungslangen x0 und hadronische Wech-
selwirkungslangen λ:
Material Z A ρ[g/cm3] x0[cm] λ[cm]
Al 13 27.0 2.70 8.90 39.41
Fe 26 55.8 7.87 1.76 16.76
Cu 29 63.5 8.96 1.43 15.06
Pb 82 207.2 11.35 0.56 17.09
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 62
![Page 2: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/2.jpg)
Homogene EM Kalorimeter
Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen
Schauer fur zwei Primarenergien von Elektronen:
/X0z
/r RM
Transversalverteilung der Energie in einem elektromagnetischen Schauer,
gemessen in unterschiedlichen Tiefen:
/r RM
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 63
![Page 3: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/3.jpg)
Homogene EM Kalorimeter: Auflosung
Gemessene Beitrage unterschiedlicher Effekte auf die Energieauflosung eines
homogenen elektromagnetischen Kalorimeters (EGS: Schauerfluktuation):
+
30 40 E [MeV]20
0.04
0.08
0.12
EGSLichtsammlungPhotostatistik
Binning Effekt
Eσ
Das relative Auflosungsvermogen als Funktion des prozentualen Leckverlustes
f :
Elektronen 15 GeV
transversal
longitudinal
σE
0.1
0.05
f0.20.10
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 64
![Page 4: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/4.jpg)
EM Sampling–KalorimeterAnteil der Energie, die in einem EM Schauer von einem Teilchen der Energie
E deponiert wird:
0.4
0.6
0.2
10 30 50 70 90Z abs
Pb
238UAlFe
Bru
chte
il d
er I
onis
atio
nsen
ergi
e
Ee− > 20.5 MeV
Sn
)+−E (e
−+E (e ) < 1.5 MeV
4.5 MeV<
Gemessene Energieauflosung eines Sampling–Kalorimeters fur verschiedene
Dicken des Blei–Absorbers:
D [mm]
Photoelektron−Statistik + Leakage
Sampling Fluktuationen
GeV..
Kanale
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 65
![Page 5: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/5.jpg)
Bespiele Sampling–Kalorimeter 1
Auslese eines Sandwitch–Kalorimeters mit Wellenlangenwanderln:
BBQ
360 nm
420nm
480 nm
SzintillatorAl−FolieBlei
Wellenlangenwandler..
Al−Folie
PBO
POPOP
Auslese eines Flussig–Argon (LAr)–Kalorimeters:
VerstarkerLadungsempfindlicher
Absorber(leitend)
+Hochspannung
..flussiges Argon
..
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 66
![Page 6: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/6.jpg)
Bespiele Sampling–Kalorimeter 2Querschnitt durch ein Spaghetti–Kalorimeter (a), Blei–Ebenen (Konverter)
und szintillierenden Fasern, Seitenansicht (b) eines SpaCal–Blocks, Auslese
durch PM (rechts):
VerstarkerLadungsempfindlicher
Absorber(leitend)
+Hochspannung
..flussiges Argon
..
���
� �
Schema der Lichtauslese eines “Scintillating Tile Calorimeters”:
WLS − Fiber
Szintillator−Ziegel Kleber
WLS − Fiber
PM
Szintillator−Ziegel
43 mm(SCSN38 h = 10 mm)
(BCF−91 d = 2 mm)
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 67
![Page 7: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/7.jpg)
Bespiele Sampling–Kalorimeter 3,Ortsauflossung
Schema eines Shashlik–Kalorimeter (Entwicklung bei HERA–B,
DESY):
AuslesePM
platten
Wolfram−Platten
WLS−Fiber
Szintillator−
Gemessene Ortsauflosung eines Sampling–Kalorimeters:
D [mm]
Photoelektron−Statistik + Leakage
Sampling Fluktuationen
GeV..
Kanale
σO
rt
E [MeV]
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 68
![Page 8: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/8.jpg)
Hadronische Kalorimeter
Materialien fur Konverter (Sz, LAr) und Absorber (Fe, PB, U)
Material Sz LAr Fe Pb U
X0 [cm] 42.2 14.0 1.78 0.56 0.32RM [cm] 10.4 13.7 1.8 1.6 1.0
λint[cm] 79.4 83.7 17.1 17.01 10.5
Kompensationskalorimetie: Zahlenwerte aus Simulationsrechungen fur einProton mit Ep = 5 GeV :
Uran Eisen
fion 57% 38%davon Spallationsprodukte 42% 27%
fγ 3% 2%fn 8% 15%fB 32% 45%
100% 100%
Verhaltnisse der Energien im Samplingkalorimetern, dabs Dicke des Absor-bers, dcon Dicke des Konverters
Fe/Sz Fe/Ar U/Sz U/Ar Abhangigkeitionmip 0.83 0.88 0.93 1 dabsnmip 0.5 . . . 2 0 0.8 . . . 2.5 0 dabs/dconγmip 0.7 0.95 0.4 0.4 dconemip 0.9 0.95 0.55 0.55 dcon
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 69
![Page 9: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/9.jpg)
Anforderungen an hadronische Kalorimeter
Auflosungsvermogen (a), Liearitat (b) und Pulshohenverteilung
(c) hadronischer Kalorimeter. Nachtragliche Gewichtung
(e/h ≈ 1) reprasentieren kompensierende Kalorimeter:
[GeV]
CDHS (Fe / Szint.)1981
1987
1987
(U /(UWA 78
HELIOS Szint.)
/
CDHS
Szint.)
(nach Gewichtung)
75 GeV
e / h = 0.8
30 GeV π
π
.
.
.
E
.
.
−1/
2[G
eV
.
.
.
.
.
.
.
.
.
GeV
Sig
nal
.
.
E/σ
]
/
Energieauflosung
CDHS(nach Gewichtung)
(Fe /
(238
Szint.)
CDHS
E
e / h = 1.05
HELIOS
WA 78
Szint.)/USzint.)/U(238
Eπ [GeV]
..
Pulshohenverteilung..
e / h = 1.4
140 GeV π
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 70
![Page 10: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/10.jpg)
Auflosungsvermogen hadronischer Kalorimeter
Gemessenes Verhaltnis der Signale von Elektronen und Hadronen als Funk-
tion der Primarenergie:
1.0
0.6
0.8
0.1 10.05.01.00.5
h [GeV]
/ mipe
e
e
e
+/+/−/ −
p
ππ+
eh
|
E
Auflosungsvermogen eines elektromanetischen bzw. hadronischen Sampling-
kalorimeters (U–Argon) als Funktion der Primarenergie:
Fe / LAr
238 U / LAr..
AuflosungSampling−Fluktuation
1
0.5
0.1
0 5 10
σ|
E
Nachweisbare Energie [GeV]
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 71
![Page 11: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/11.jpg)
Grundlagen der Kompensationskalorimetrie
Pulshohe/Energie fur Hadronen mit unterschiedlichem eh–Verhaltnis (a) und
mit relativer Auflossung (b) und Korellation zwischen Bindungsenergie und
Energie von Neutronen, die durch die Reaktion freigesetz werden(c):
1.2
1.4
1.0
0.8
1 10 100 1000
2.0
E h [GeV]
Sig
nal
Had
ron
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
he/ intrinsisch
e/h =1.00
0.20
0.10
03 5 10 20 50 200
[GeV]πE
E
|σ
mit
n20
MeV
Ene
rgie
von
nE
<
800
400
400
200
0
0
0 1 3
Spallations− n
Verdampfungs− n
[GeV]Bindungsenergieverluste
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 72
![Page 12: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/12.jpg)
Software–Wichtung des hadronischenKalorimeters
Gemessene Pulshohenverteilung von Elektronen und Pionen in einem nicht
kompensierenden Kalorimeter, vor und nach der Wichtung:
400
600
200
0
50 GeV Strahl
Keine Gewichtung
Ere
igni
sse
/ GeV
1000 20 60E [GeV]
600
400
200
00 20 60 100
Gewichtung
50 GeV Strahl
Ere
igni
sse
/ GeV
E [GeV]
Pulshohen in einzelnen Zellen eines LAr–Kalorimeters fur verschieden
Primarenergien, vor (a) und nach der Wichtung (b):
400
600
200
0
50 GeV Strahl
Keine Gewichtung
Ere
igni
sse
/ GeV
1000 20 60E [GeV]
600
400
200
00 20 60 100
Gewichtung
50 GeV Strahl
Ere
igni
sse
/ GeV
E [GeV]
���E max (had) [GeV]
E[G
eV]
cal
0 20 60 100
100
0
200
300
E = 170 GeVπ
E = 50 GeV
E = 30 GeVππ
E = 230 GeVπ
Pionen (keine Gewichtung)
� �E max (had) [GeV]
[GeV
]E
cal
020 60 1000
Pionen (gewichtet)
E = 170 GeV
E = 230 GeV
E = 50 GeV
E = 30 GeV
π
π
ππ
300
200
100
σ|
E
πE [GeV]
0.1
0.05
00 50 150 250
Keine GewichtungGewichtetSampling Beitrag
Gewichtung (II)
Pionen
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 73
![Page 13: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/13.jpg)
Auflosungsvermogen bei Kompensation (had)
Auflosungvermogen eines nichtkompensierenden LAr–Kalorimeters:
σ|
E
πE [GeV]
0.1
0.05
00 50 150 250
Keine GewichtungGewichtetSampling Beitrag
Gewichtung (II)
Pionen
Pulshohenrelation pmip als Funktion der Dicke des Mediums:
[mm]absd
1.1
0.9
1.0
0.8
0 5 10 15 20 25
Spa
llatio
ns p
/ m
ip
U−Platten (2.5 mm PMMA)
PMMA−Platten (3.0 mm U)
4 GeV pU / PMMA
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 74
![Page 14: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/14.jpg)
Kompensation durch Neutronnachweis
Verhaltnis nmip als Funktion des Verhaltnisses Rd =
dabsdact
:
Rd
..
EinfangγSpalt
γInelastischepβRucksto
γGesamtn−Signal
U / PMMA
Sig
nal
n / S
igna
l m
ip
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 75
![Page 15: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022021723/5cb7a21688c99379328c217a/html5/thumbnails/15.jpg)
Elektromagnetische Kompensation
Zeitliche Breite des Signals unterschiedlicher Primarteilchen in einem Kalo-
rimeter:
Zah
l e−
/ 0.1
ns
Zah
lπ−
/ GeV
500
300
100
018 22 26
e− 80 GeV
π
14
60
80
40
FWHM [ns]
Pulshohe fur monoenergetische Elektronen als Funktion der Dicke des Ab-
sorbers fur ein Blei–Szintillator Kalorimeter:
KanaleGeV
..
150
50151050
abs [mm]d
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 76