Candidato: Alessandra Lucà
Relatore: Dott. Stefano Miscetti
Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza
Efficienza di rivelazione per neutroniEfficienza di rivelazione per neutroni
con calorimetri eterogeneicon calorimetri eterogenei
a piombo e fibre scintillantia piombo e fibre scintillanti
Università di Roma “Tor Vergata”Tesi di Laurea di I livello
in FISICA
6 marzo 2008
Efficienza di rivelazione per neutroniEfficienza di rivelazione per neutroni
con calorimetri eterogeneicon calorimetri eterogenei
a piombo e fibre scintillantia piombo e fibre scintillanti
Il calorimetro di KLOEIl calorimetro di KLOE
L’esperimento KLOE, presso DAFNE (LNF), ha un
calorimetro elettromagnetico formato da strati
alternati di piombo e fibre scintillanti
Il calorimetro di KLOE è stato disegnato per
rivelare elettroni e fotoni
• Fibre scintillanti di 1 mm di diametro
(Kuraray SCSF-81 e Pol.Hi.Tech 0046)
– Nucleo interno: polistirene, =1.050 g/cm3,
n=1.6, peak ~ 460 nm
• sottili fogli di Pb scanalati (0.5mm di spessore)
• rapporto di volumi Piombo:Fibre:Colla= 42:48:10
• X0 = 1.6 cm =5.3 g/cm3
• Spessore del calorimetro 23 cm
• Spessore di contenimento = 14.4 X0
• Spessore totale dello scintillatore ~ 10 cm
1.2 mm
1.35 mm1.0 mm
Piombo
Rivelazione di neutroniRivelazione di neutroni Tradizionalmente per rivelare neutroni con energia tra 1-200 MeV si usano scintillatori
organici (lo scattering elastico di neutroni su atomi di H: i protoni acquistano energia
cinetica e vengono rivelati dagli stessi scintillatori)
efficienza proporzionale allo spessore 1%/cm
Misure preliminari stimate con i dati di KLOE (neutroni prodotti da interazioni K
nell'apparato) hanno mostrato un'alta efficienza (40%) del calorimetro
elettromagnetico per la rivelazione di neutroni con energia < 20 MeV, confermata dal
Monte Carlo ufficiale dell’esperimento.
La rivelazione di neutroni è importante per un esperimento alla macchina DANE, ad
alta luminosità.
Test beam dedicato effettuato con un fascio di neutroni presso “The Svedberg
Laboratory” (TSL) di Uppsala (2006, 2007, 2008) per confermare la misura di efficienza.
L'argomento della mia tesi è l'analisi dei dati raccolti nell'ultimo test beam (ottobre 2008).
Produzione del fascio di neutroni @ TSLProduzione del fascio di neutroni @ TSL
5.31 m
( 2 cm)
Tramite la reazione p + 7Li → n + 7Be viene prodotto un
fascio quasi monoenergetico di neutroni da 174 MeV.
Fascio di protoni con energia 180 MeV.
Spettro energetico dei neutroni con un picco alla massima
energia (a 174 MeV fp = 42% di neutroni nel picco)
Coda di neutroni termici
CICLOTRONE GUSTAF WERNER
Blue Hall
TRF = 45nsPICCOLO PROTOTIPO DEL PICCOLO PROTOTIPO DEL
CALORIMETRO DI KLOECALORIMETRO DI KLOE
Rivelatore utilizzato @ TSL Rivelatore utilizzato @ TSL Piccolo prototipo di KLOE :
- LxHxS = (65x13x24) cm3
- lettura da entrambe le facce
(side A, side B) tramite PMTs con
diametro 1, 1/8 “
- celle 35 (4.2 cm 4.2 cm)
Reference counter :
NE110; spessore 5 cm ; area 1020 cm2
letto da entrambi i lati
Display degli eventi
Le celle colorate indicano le celle colpite dal passaggio
della particella.
COLONNA CENTRALE
pian
in
Y XZ
SIDE A
SIDE B
Radiofrequenza
45ns
Rate Neutroni 20kHz
triggerPhase Locking
Il trigger è generato in fase con
la RF è abilitato dalla
coincidenza A and B.
Trigger e schema elettronicoTrigger e schema elettronico
TimeUnit
gate
Il Fan out replica il
segnale in tre copieDiscriminatori
TDC50ps/count
stop
common start
ritardo
Una copia del segnale viene discriminata e
ritardata prima di arrivare al TDC; essa dà lo
STOP per ogni singolo canale
ADC100fC/count
gate 200ns
ritardo
Una copia del
segnale
analogico arriva
all’ADC, con un
ritardo dovuto
all’elettronica
Discr.
Discr.
Σ (Side A)
Σ (Side B)
Dopo una somma
analogica su tutti i canali
per ogni side, il segnale
viene discriminato
Canale 0LinearFan inFan out
Canale 1
Canale N
• Sensibilità del TDC= (53.6 0.3) ps
Schema temporaleSchema temporaleIl fascio di protoni viene pulsato con
un periodo TRF = 45 ns.
I neutroni prodotti giungono dopo
un certo intervallo di tempo sul
calorimetro.
Il common start del TDC è fornito da
un trigger, generato in fase con la RF
ed abilitato dalla coincidenza delle
due side.
Con questa configurazione gli eventi
del picco vengono ben determinati,
ma gli eventi della coda (più lenti)
possono essere determinati con uno
start generato nel successivo TRF.
Calibrazione dei piedistalli e zero di caricaCalibrazione dei piedistalli e zero di carica•Il piedistallo è il valore di carica riportato dall’ADC in assenza di segnale esterno.
•Vengono effettuati dei run speciali, per stimare il valore (in conteggi di ADC) del piedistallo di ogni singolo canale
•Il piedistallo è calcolato attraverso un fit gaussiano dello spettro dei canali di ADC, Qraw
•Il fit mostra una variazione contenuta del valore del piedistallo in funzione del numero di run.
• Alla carica si sottrae il valore del piedistallo: Q = Qraw- PED >3
Scala in energia e MIPScala in energia e MIP• La misura dell'energia all'interno del calorimetro avviene tramite la misura della carica raccolta dai fotomoltiplicatori.
• Per valutare i guadagni vengono utilizzate le MIP.
Per ogni cella: E(MIP) = GA K E.
Con i valori ottenuti si cerca di equalizzare i guadagni.
L’energia totale della particella espressa in unità di MIP è:
ETOT= Qi/MMIP
i
Esempi di distribuzioni di MIP per 4 canali
che corrisponde a:
ETOT(MeV) = ETOT(MIP) K E
con KE = 35 MeV/MIP
En
trie
sE
ntr
ies
En
trie
sE
ntr
ies
En
trie
s
En
trie
s
Tpeak= Li/ (peak c)
T’ tail = Ttail + TRF
T tail < Tpeak - 2
(ns) (ns)
Allineamento dei tempi , poiché il trigger è “phase locked” con la RF (TRF =45 ns)
Allineamento dei tempi e ToFAllineamento dei tempi e ToF
Lo spettro di energia può essere ricostruito con il ToF:
Il tempo vero è: TTRUE= T –Tpeak +L0/ (peak c).
• Dal ToF spettro dei neutroni : T = Li / (c)
• Nota la massa dei neutronienergia cinetica: EK= E-Mn c2
En
trie
sE
ntr
ies
En
trie
s
Confronto Dati/MC e aloneConfronto Dati/MC e alone
Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con una sola cella.
• I clusters formati da una singola cella mostrano un rapporto celle accese laterali/centrali più alto di quello aspettato dal MC
• Le celle laterali mostrano una componente piatta non attesa dal MC
• Fit delle distributioni dei ToF nei dati con:
- forma del segnale attesa da MC
- parametrizzazione lineare del fondo;
Per ogni cella del calorimetro e per ogni soglia
del trigger
dati
MC all
BKG
C’è un fondo di neutroni di
bassa energia che formano un
alone attorno al core
Frazione di alone
dati
MC all
BKG
dati
MC all
BKG
cella centrale
Misura dell'efficienza su tutto lo spettroMisura dell'efficienza su tutto lo spettro
= Rtrigger × (1-B/(S+B))
RNEUTRONI ×
RNEUTRONI: numero di neutroni incidenti
(misurato tramite un monitor del fascio
sull'intensità del flusso di neutroni,
misurato dal TSL.)
B = backgroundB = background
S= segnaleS= segnale
: accettanza
( ≈ 1 , assumendo che il fascio sia completamente contenuto nella superficie del
calorimetro )
Rtrigger : numero di neutroni rivelati
L'ICM viene utilizzato online
il TFBC viene usato offline per calibrare
l'ICM: il sistema ha un'accuratezza del 10 %
Efficienza del calorimetro misurata con neutroni di 174 MeV
Misura preliminare dell’efficienza Misura preliminare dell’efficienza
- Il valore trovato è 4 volte
maggiore di quello aspettato per
uno spessore equivalente di
scintillatore
- Le efficienze misurate per lo
scintillatore di referenza sono in
accordo con i valori in letteratura
- Simulazioni dettagliate sono in
sviluppo
= 30 % a 15 MeV di soglia.PRELIMINARY
SparesSpares
Fibre scintillantiFibre scintillanti
1.2 mm
1.35 mm1.0 mm
Piombo
•Propagazione della luce attraverso riflessioni multiple all’interno del core e del cladding.
Es. di fibra ottica:
n1 =1.6, n2=1.49 → TR21°
•Lunghezza di attenuazione 3 – 4 m
TR = 21TR = 21
cladding
core 36
particella
Luminosità @ DALuminosità @ DANENE
• Il rate di eventi R in una collisione è
proporzionale alla sezione d’urto
d’interazione σint
La luminosità è il fattore di proporzionalità:
R = Lσint .
• La nuova macchina Dane ha una
luminosità maggiore di 5 x 1032 cm-2 s-1
• Alta luminosita’: alta frequenza di eventi da studiare
Il ciclotrone Gustaf WernerIl ciclotrone Gustaf Werner
Dati principali:
Raggio di estrazione: 1.2 m
Diametro della base del polo magnetico: 2.8 m
Campo medio massimo: 1.75 T
al a raggio massimo utile di 1.2 m
Radiofrequenza:
RF= 22 MHz => TRF = 45 ns
Energie disponibili per la produzione di un fascio di protoni:
20-180 MeV
PMT: Photo Multiplier TubePMT: Photo Multiplier Tube
Un PMT converte la luce in un segnale elettrico che poi amplifica.
I fotoni incidono su un fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette fotoelettroni.
Questi passano attraverso una serie di dinodi mantenuti a una certa ddp.
Da dinodo a dinodo, i fotoelettroni vengono così moltiplicati, prima di arrivare all’anodo.
Il guadagno è:
G ~ V Nd
La variazione in guadagno è:
V
VN
G
Gd
• Flusso assoluto di neutroni misurato dopo il collimatore con 2 monitors di intensità del fascio
Ionization Chamber Monitor (7 cm ): ICM
monitor online
Thin-Film Breakdown Counter (1 cm ): TFBC
monitor offline.
Viene usato per calibrare l’ ICM misurando il flusso di neutroni all’uscita del collimatore.
Conta il numero di fissioni dell’ 238U, da cui ricava la frazione di eventi del picco di neutroni, fp.
Rate(n) = Rate(ICM) K π r2 / fp
r = raggio del collimatore (1 cm)
K = fattore di calibrazione TFBC : ICM = 1Hz : 3 kHz/cm2
fp = frazione di neutroni nel picco
accuratezza: 10% per l’ energia del picco (180 MeV)
20% per energie più basse (20 – 50 MeV)
Neutron rateNeutron rate
Cosa sono le MIPCosa sono le MIP
Le Minimum Ionizing Particles, o Mip, sono particelle che nel passaggio attraverso la materia hanno un rate di perdita di energia vicino al minimo.Una fonte di MIP sono i raggi cosmici (muoni):
−<dE/dx> = cost => -E~ x
•Il valore della carica rilasciato dalle MIP in parte attiva è proporzionale solo allo spessore attraversato:
•Le MIP risultano utili ai fini della calibrazione della scala energetica.
A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation
April 8-9, 2008 - Saclay
• Spettro di TDC in conteggi:
• Le due linee rappresentano inizio e fine del range del plot.
• La prima linea si trova a
2390 2.9 cont.
la seconda a
3230 2.9 cont.
Sensibilità del TDCSensibilità del TDC
TRF = 45ns
(840 4) conteggi →(53.6 0.3)ns
La sensibillità si ricava da
TRF/TTDC
ClustersClusters
cellecella
cellecellacella
clu E
EXX
cellecella
cellecellacella
clu E
EZZ
00
X
Z
celle
cellaclu EE
cellecella
cellecellacella
clu E
ETT
Tempo
Coordinate spaziali
Energia del cluster
Fondo per cluster con più di una cellaFondo per cluster con più di una cella
Distribuzione del ToF per le celle del
1° piano per gli eventi con più di una
cella.
En
trie
sE
ntr
ies
En
trie
s
A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation
April 8-9, 2008 - Saclay24
Un tipico processo inelasticoUn tipico processo inelastico
n
Z(cm)
p
n1
n2
n3
n4
X(c
m)
primary vertex
En = 175.7 MeV En (p) = 126 MeV
L’aumento dell’efficienza sembra essere dovuto a un’enorme produzione inelastica
di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari:
- sono prodotti isotropicamente;
- sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e
di protoni, che può essere rivelata nelle fibre;
- hanno un’energia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove
interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /γ .
L’aumento dell’efficienza sembra essere dovuto a un’enorme produzione inelastica
di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari:
- sono prodotti isotropicamente;
- sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e
di protoni, che può essere rivelata nelle fibre;
- hanno un’energia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove
interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /γ .
A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation
April 8-9, 2008 - Saclay25
Scintillator efficiencyScintillator efficiency
(%)/ cm of scintillator
(%) - scint.
Larger errors at low energies due to:• big uncertainty in the beam halo evaluation • worse accuracy of the beam monitorsCorrection factor for beam halo 0.9 0.1
En
• Agrees with the “thumb rule” (1%/cm) at thresholds
above 2.5 MeV el.eq.en.
• Agrees with previous measurements in the same
energy range after rescaling for the thickness
26
Neutron interactions in the calorimeterNeutron interactions in the calorimeter Each primary neutron has a high probability
to have elastic/inelastic scattering in Pb
target Pel(%)
Pinel(%)
Pb 32.6 31.4
fibers 10.4 7.0
glue 2.3 2.2In average, secondaries generated in In average, secondaries generated in
inelastic interactionsinelastic interactions are are
5.45.4 per primary neutron,per primary neutron,
counting only neutrons above 19.6 MeV. counting only neutrons above 19.6 MeV.
neutrons
above 19.MeV
62.2%
photons 26.9%
protons 6.8%
He-4 3.2%
deuteron 0.4%
triton 0.2%
He-3 0.2%
Typical reactions on lead:Typical reactions on lead:
n Pbn Pb x x n n yy γγ Pb Pb
n Pbn Pb x x n n yy γγ p + residual nucleus p + residual nucleus
n Pbn Pb x x n n yy γγ 2 2p + residual nucleus p + residual nucleus
In addition,In addition, secondaries created in interactions of low secondaries created in interactions of low
energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average –energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average –
97.797.7 particles per primary neutron.particles per primary neutron.
neutrons 94.2%
protons 4.7%
photons 1.1%
Simulated neutron beam: Ekin = 180 MeV
Proton beam
Li targetn 5.5°
The simulation of the beam lineThe simulation of the beam line
Z(cm)Z(cm)
Y(c
m)
Y(c
m) Shielding
(concrete and steel)
Calorimeter
7Li Target
Gaussian angular distribution(Journal of Nuclear Scienceand Technology, supplement 2(2002), 112-115)
At the Li-target
At the
calorimeter
Ekin(MeV)
The beam line has been simulated starting from the
neutrons out of the Litium target
At the entrance of the
beam monitor
Journées GDR Nucléon - Instrumentation
April 8-9, 2008 - Saclay28
LEAD
GLUE FIBERS
base module
replicas
200 layers
Using the FLUKA tool LATTICE
the fiber structure of the whole calorimeter
module has been designed.
In the base module the calorimeter is
simulated in detail, both under the
geometrical point of view and with
respect to the used materials
The FLUKA simulation - part (I)The FLUKA simulation - part (I)
All the compounds have been carefully simulated.
- for the fibers, an average density between
cladding and core has been used : ρ = 1.044 g/cm3
- glue: 72% epoxy resin C2H4O, =1.14 g/cm3,
+ 28% hardener, =0.95 g/cm3
hardener composition
Polyoxypropylediamine C7H20NO3 90%
Triethanolamine C6H15NO3 7%
Aminoethylpiperazine C6H20N3 1.5%
Diethylenediamine C4H10N2 1.5%
The Pb-SciFi structureThe Pb-SciFi structure
Thr. (mV)
MeV
eq. el. en.
Thr. [mV] 15 75
Thr. [MeV] 5.3 22.8
(ex.) Fermi-Dirac fits for the sum of the cluster
energy side B
Determinazione soglia trigger in MeVDeterminazione soglia trigger in MeV