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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik

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HauptseminarMethoden der experimentellen Teilchenphysik

Elektromagnetische und hadronische KalorimeterWS 2011/2012

Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik2 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter

Übersicht

Kalorimeter aus der Schule

Kalorimeter in der Teilchenphysik

Elektromagnetische KalorimeterSandwich-Kalorimeter

Homogen-Kalorimeter

Flüssigargon-Kalorimeter

Hadronische Kalorimeterkompensierende Kalorimeter


CMS

ATLAS

Soweit nichts anderes angegeben, stammen die Bilder von cern.ch


Kalorimeter aus der Schule

zur Messung von Wärmemengen

bei physikalischen, chemischen oder

biologischen Prozessen

damit kann die spezifische Wärme-

kapazität eines Stoffes bestimmt werden

Energieerhaltung wird ausgenutzt

Bild: Monroe-Hopkins-Kalorimeter, gemeinfrei



es gibt Kalorimeter für elektromagnetische und hadronische TeilchenVerschiedene Arten der Wechselwirkung (elektromagnetische und starke)

nach Möglichkeit kommt das Teilchen nicht mehr herausvollständiges aufschauern

gemessene Energie proportional zur Energie des einfallenden Teilchens

Leckverluste in longitudinaler Richtung schlechter für Messung als transversal

Kalorimeter muss hinreichend dick konzipiert werden


Elektromagnetische Kalorimeter

###BILD###



Es gibt mehrere Arten von elektromagnetischen KalorimeternSandwich-Kalorimeter

Homogene Kalorimeter


Elektronen und Positronen erzeugen Bremsstrahlung

diese erzeugt durch Paarbildung wieder ein e-e+-PärchenKaskade von Photonen, e und e+

nach n Schichten 2^n Teilchen



Konversionsschicht aus Material mit möglichst großem Z (z. B. Blei)

Strahlungslänge 1/Z²

kritische Energie 1/Zdie Entwicklung der Kaskade bricht ab, sobald die Energie kleiner als die kritische Energie wird

Keine neuen e-e+-Paare

Optimale Auflösung bei einer Dicke von 20 Strahlungslängenmit 98 % Wahrscheinlichkeit ist die Energie bereits nach 5 Strahlungslängen deponiert

∝∝


Sandwich-Kalorimeter

Konversionsplatten und Szintillationszähler wechseln sich ab

Energieauflösung:

die Konversionsschichten sind möglichst dünn, um Fluktuationen in der deponierten Energie gering zu halten

typisch: 2 mm Blei und 5 mm Szintillator → ~ 40 cm dick

σE

≈ 0,1√E



Als Material wird entweder ein anorganischer, szintillierender Kristall mit hoher Kernladungszahl (z. B. BGO, CsI, NaI, …)

oder ein nicht-szintillierender Cherenkov-Zähler (z. B. Blei-Glas, Blei-Fluorid) verwendet.

ganzes Kalorimeter ist sensitivgeringe Energiefluktuationen



szintillierende KristalleEnergieauflösung NaI:

Energieauflösung BGO:bei nur 8% der Lichtausbeute von NaI

Cherenkov-ZählerEnergieauflösung:

ζ: Verhältnis von Photokathodenfläche zu Zähleraustrittsfläche

Beispiel: 208 Blöcke (je 36 x 36 x 420 mm³)

σE

≈ 0,0284√E

σE

≈ 0,025√E

σE

≈0,006+ 0,03√ζ E

σE

≈0,006+0,053√E

, ζ=0,35



Ionisationskammer

1 bis 2 mm dicke Bleiplatten senkrecht Einfallsrichtung

Energieauflösung:

Jedoch recht lange Sammelzeit (~ 1 μs)→ Akkordeon-Kalorimeter

σE

≈ 0,12√E


Akkordeon-Kalorimeter

Kapazität der Ausleseelektroden recht klein

Vorverstärker direkt mit Elektrode verbunden und in Flüssigkeit

Sammelzeit ~ 30 ns

vollständige räumliche Abdeckung


Flüssigkrypton-Kalorimeter

Aufbau gleich dem Flüssigargon-Kalorimeter

jedoch verzicht auf den Bleiabsorber, dadurch sämtliche Energie für Messung verwendbar

Strahlungslänge von Krypton: 4,6 cmim Vergleich: 14,0 cm bei Argon

Länge des Photodetektors am Cern: 125 cm (27fache Strahlungslänge)Energieauflösung:

Zeitauflösung: 250 ps

Gewicht: 22,8 t

noch besser wäre ein Detektor mit FlüssigxenonStrahlungslänge: 2,87 cm

sehr teuer

σE

≈ 0,032√E

⊕0,0042


Hadronische Kalorimeter

###BILD###



Sandwich-Kalorimeter → Konversionsplatten und Szintillationszähler

nukleare Absorptionslänge entscheidendBlei: 18,5 cm, Eisen: 17,1 cm, Uran: 12,0 cm

→ groß und schwer

in 10 Absorptionslänger wird ca. 99% der Energie deponiert: ~ 1,8 m dick

Energieauflösung: σE

≈ 0,7−0,8√E



Verlust von Schauerenergie nicht nur durch LeckverlustTeilchen können aus dem Kalorimeter entweichen

Myonen und Neutronen; ~ 1% Energieverlust

inelastische StößeKerne des Absorbers werden angeregt,

gespalten,

oder in langsamere Bruchstücke zerlegt (Spallation).

→kompensierende Kalorimeter


kompensierende Kalorimeter

Verbesserung der Energieauflösung durch Anpassung der Signalgrößen von elektron- und hadroninduzierten Schauern

bei Spaltung frei werdende Energie wird genutztUran/Szintillator-Kalorimeter 3:2,5

Energieauflösung:

wasserstoffhaltige DetektormaterialenBlei/Szintillator-Kalorimeter 4:1

Reduzierung der Fluktuationenelektromagnetischer Schauer bei Plattenstärke von 5 cm (Fe) recht kurz

Einfluss wird durch Gewichtungsfaktor unterdrückt

Energieauflösung:

σE

≈0,35√E

σE

≈0,58√E


Ortsauflösung

Ort kann durch die Matrix der Schauerzähler bestimmt werden

je mehr Zellen getroffen werden, desto genauer

Blei/Szintillator mit 10 x 10 cm²: 11 mm

Blei/FAr mit 10 mm breiten Streifen: 1 mm


CMS

ECAL homogen, BleiWolframat-Kristall

Totzeit von 25 ns

Photodetektor direkt am Kristall

61.200 Stäbe in 36 Supermodule

unterteilt (~ 3 t)

~ 15.000 in den beiden Endkappen

Produktionsdauer der Kristalle: 10 Jahre

HCALSandwich-Kalorimeter

über 1.000.000 russische Granatenhülsen

aus Bronze aus dem 2. Weltkrieg

Plastik-Szintillator


ATLAS

ECALFlüssigargon-Kalorimeter

Akkordeon

HCALZum Teil Flüssigargon-Kalorimeter

Plastik-Szintillator


Kalorimeter in der Teilchenphysik (2)

elektromagnetisches und hadronisches Kalorimeter am Beispiel des CMS Detektors

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