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

15
Kalorimeter, Strahlungs– und Wechselwirkungsl¨ angen Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers als Abfolge von Bremsstrahlungs– und Paarbildungsprozessen: e (E ) o Elekromagnetische Strahlungsl¨ angen x 0 und hadronische Wech- selwirkungsl¨ angen λ: Material Z A ρ[g/cm 3 ] x 0 [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

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

Page 1: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien

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

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

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

Page 4: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien

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

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

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

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

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

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

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

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

Page 12: Kalorimeter, Strahlungs{ und Wechselwirkungsl angen · Homogene EM Kalorimeter Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen Schauer f ur zwei Prim arenergien

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

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

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

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