Caratterizzazione di barre di scintillatore con lettura WLS accoppiate a Silicon Photomultiopliers

F. Ambrosino

Il progetto del CHarged ANTIcounter

• Rivelatore inserito nel contesto dell’esperimento NA62 al CERN

• Resosi necessario da studio dei fondi da interazioni anelastiche del fascio con il GTK

• Responsabilità di Napoli: rivelatore progettato e realizzato interamente qui

K+

p+

Last silicon trackerlayer (GTK) ( <0.5% X0)

~30 cm

~1.5 m

Richieste sperimentali

• Alta efficienza per particelle cariche• Capacità di sostenere alti rate (>10 kHz/cm2)• Risoluzione temporale < 1 ns → lettura xy per

correzione tempi• Funzionamento in vuoto spinto (10-6 mbar)• Possibilità di tracciare particelle cariche per

determinare la struttura dell’alone del fascio• Il tutto con vincoli piuttosto stringenti di tipo

economico e di tempo…

Le soluzioni adottate: scintillatori e fibre• Scintillatori a sezione triangolare prodotti a FNAL• Polistirene coestruso con copertura di TiO2 (0.25 mm)

• Veloce, buona resa di luce, rad-hard, economico, bassa trasparenza → lettura a fibre

• Si assembla in strutture autoportanti e senza crack • La forma triangolare permette di ottenere ottime

risoluzioni spaziali (< 3mm) se abbinato a una misura di carica rilasciata

• Accoppiato a fibre WLS estremamente veloci (BCF92) trattate con un procedimento di specchiatura ad una estremità

Le soluzioni adottate: fotorivelatori

• Fotomoltiplicatori al Si Hamamatsu• Basse potenze dissipate, ideali per il vuoto• Capacità di sostenere rate di un ordine di

grandezza maggiore di quello di un PMT convenzionale

• Eccellente risoluzione temporale• Risposta lineare da 1 a circa 400 fotoni• 1.3 mm2 superficie sensibile, 676 pixels• Matching ideale con le fibre• Caveat: dipendenza da T

Le soluzioni adottate: connettori, colle etc. etc. • Connettori custom disegnati appositamente per

allineare meglio di 50 mm fibre e SiPM• Studio approfondito di colle ottiche per

l’accoppiamento fibra scintillatore e di colle strutturali per l’incollaggio del detector (il tutto compatibile con il vuoto)

• Dime di precisione realizzate con la macchina ad elettroerosione dell’OM per la costruzione del detector

Struttura di una stazione: prima stazione costruita

Risposta (preliminare)• Resa in fotoelettroni studiata su trigger di raggi cosmici

verticali• Due barre adiacenti hanno risposta anticorrelata. La

somma delle due esibisce il caratteristico picco di MIP con coda di Landau

• Circa 25 fotoelettroni/MeV osservati

Npe sum

Risoluzione temporale (preliminare)

• Media pesata dei tempi delle due barre• Correzione di time slewing ottenuta per mezzo del

Time Over Threshold• Contributo del trigger misurato separatamente

circa 400 ps• Stima conservativa della risoluzione circa 750 ps,

migliore di quella richiesta

Time vs charge

s = 0.76 ns

Caratterizzazione dei SiPM

• Necessità di caratterizzare i SiPM misurando la Vbd in funzione di T

• Sistema semiautomatico con multiplexer x32 e letture I-V in camera termostatica

• Verrà utilizzato per caratterizzare tutti i 300 SiPM del CHANTI

Caratterizzazione delle barre in autotrigger

• Necessità di testare l’omogeneità delle barre prodotte

• In camera termica per selezionare cosmici verticali si ottiene basso rate, impossibile misurare cosmici verticali in più di un punto in tempi ragionevoli

• Uso di sorgenti non del tutto pratico• Possibilità di usare la risposta delle barre in

autotrigger ai cosmici con soglia alta (per sopprimere il rumore termico)

50 mV – 0.02 Hz1 pe -> 2.7 mV

Comment

NeventsThr 50 mV

NeventsThr 150 mV

N150 / N50

No Glue 2002 258 13.0 %

Glue No uniform 200

0 364 18.2 %Glue No uniform Turn

2000

354 17.7 %Glue 200

0 570 28.5 %Glue 200

0 493 24.7 %Glue 200

0 488 24.4 %

Conclusioni

-Lavoro sperimentale proposto: caratterizzazione di barre di scintillatore in camera termostatata, e analisi dei dati relativi. È un metodo che è stato già utilizzato per caratterizzare oltre 120 barre sulle 300 necessarie per il rivelatore, quindi si tratta di applicare una procedura già consolidata. Permette di acquisire una prima confidenza con sistemi come: Labview, oscilloscopio digitale letto via GPIB, contatori NIM, etc.

Sistema di readout

VuotoAmpl. & bias

shapers TDC

Amplificatori veloci 20 X &Settaggio individuale del bias voltage dei SiPM: O(mV) resolution 0.1% stabilityLettura corrente a 1 nA

Time Over ThresholdLVDS shapers

HP-TDC su TEL62 board (512 canali)

Feed through

1.5 m coax. cable