Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter...

Post on 18-Apr-2019

225 views 0 download

Transcript of Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter...

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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