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Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Danie l Buschert 1 Seminar „Kalorimeter für elektromagnetische Strahlung“ - Eichung von Kalorimetern (nur homogene) - Monitoring - Extraktion der physikalischen Größen

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Seminar „Kalorimeter für elektromagnetische Strahlung“

- Eichung von Kalorimetern (nur homogene)

- Monitoring- Extraktion der physikalischen Größen

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Gliederung• 1. Eichung und Optimierung der Auflösung

• 3. Extraktion physikalischer Größen- Invariante Masse

- Energieeichung - Beispiele - Ortsbestimmung

• 2. Monitoring- Lichtpulser

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1. Eichung• Kalorimeter enthalten teilweise mehrere tausend Zähler.

BABAR besteht aus6580 CsI(Tl) Kristallen.

- 48 Ringe mit jeweils 120 Kristalle- 8 Endkappenringe mitmax. 120 Kristalle

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- Analoge Ausgangs-Impulshöhen müssen in digitale Informationenumgewandelt und abgespeichert werden.

- Die Eichung (Kalibration) und Überwachung einer so großen Anzahl von Kanälen erfordert einigen experimentellen Aufwand. Dabei müssen auch die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt werden.

Auf den ersten Blick scheint die Kalibration recht simpel und trivial zu sein.

Dem ist wirklich nicht so!Dem ist wirklich nicht so!

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Kalorimeter sollen die Energie von absorbierten Teilchen bestimmen:- Einlaufende Teilchen haben eine Energie im Bereich bis zu GeV!- Es werden aber nur Ladungen in der Größenordnung von Piko-Coulomb erzeugt.

Beispiel:

Das einlaufende Teilchen erzeugt im Szintillator Photonen, die überden Wellenleiter zum Photomultiplier gelangen und dort dann in elektrische Signale umgewandelt werden.Andere Auslesemethode: Photodioden, ...

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2210 EEEUEK

Gewünscht wäre bei den Szintillatoren eine lineare Beziehung zw. der Energie des einlaufenden Teilchensund der erzeugten Spannungim Detektorkristall.

Aber in der Realität ist es nicht so gegeben.

..konstKalibri

Aus diesem Grund müssendie Kalibrierungskonstanten bestimmt werden, damit man den Zusammenhang herstellen kann.

6,1 MeV

min. ionis. Teilchen

Eichung EinzelkristallEichung Einzelkristall

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Hierbei müssen die einzelnen Komponenten eines einzelnen Kristalls, bestehend aus einem Szintillator, Photomultiplier und ADC so einjustiert werden, daß die einlaufenden Teilchen ein brauchbares Signal erzeugen, damit sie später weiterverarbeitet werden können. Die Datenauswertung findet hinterher meistens über eine Computer-Software statt. Häufig wird Origin oder PAW benutzt.

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Um präzise Informationen über die im Kalorimeter deponierte Energiezu erhalten, ist eine Kalibration der gesamten Auslesekette über den gesamten Energiebereich unumgänglich.

Für jeden Kristall muß das Verhältnis zwischen der deponierten Energie und der detektierten Pulshöhe ermittelt werden.

Dabei spielen folgende Eigenschaften eine Rolle:

- Die Lichtausbeute der Szintillation- Das Uniformitätsprofil eines Kristalls- Die Effizienz der Photodetektoren- Die Kennlinie der gesamten Elektronik-Kette

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Inter-Kalibration

Ein einlaufendes Teilchen erzeugt nicht nur ein Signal in einem Detektor, sondern es sprechen immer mehrere Detektoren fast gleichzeitig an.

Es muß eine Inter-Kalibration durchgeführt werden.

EZu einem gehören immer der einzelnen Detektoren. EKU

Detektor Absorber

kk

k

N

ii UE

1

N = Zahl der Detektoren pro Schauer

i

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Die Kalibrierungskonstanten können experimentell bestimmt werden, indem man bekannte Energien oder Teilchen in eines der Segmente schießt, von denen man weiß, wie viel Energie sie dort deponieren.

- Gamma – Strahler mit bekannter Energie- Teststrahlen aus Monoenergetischen Elektronen oder Pionen- Lichtpulser

Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Welche Möglichkeiten der Eichung gibt es?

I. Bestimmung von k

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Zur absoluten Energie-Eichung ist ein Punkt < 10 MeV notwendig. Aus diesem Grund werden häufig Gamma – Quellen eingesetzt. Diese Quellen gibt es bis zu einer maximalen Energie von 6,1 MeV.

Gamma-Quelle

Diese Quellen werden direkt vor den Kristallen positioniert undanschließend wird ein „Kalibrations Run“ durchgeführt, wobei für jeden Kristall ein Punkt auf der Kal.-Fkt. bestimmt wird.Diese Quelle wird dann im Nachhinein wieder entfernt:

- Um keinen zusätzlichen Untergrund zu erzeugen- Minimierung der Strahlenbelastung bei Wartungsarbeiten

CPu 13 - Quelle: OnC 1613 ,

aus Pu 6.1 MeV

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Bei BaBar wurde aus Platzgründen eine andere Gamma Quelle verwendet:

Hier wurde das Prinzip der flüssigen Quelle mit benutzt:

- Dabei wird eine Flüssigkeit, die radioaktiv angeregt wurde, durch ein filigranes Röhrensystem gepumpt, welches direkt vor der Frontseite der Kristalle entlangläuft.

Die Flüssigkeit wird mit einem Neutronengenerator angeregt: NnF 1619 Halbwertszeit: 7s

Durch einen Zerfall erhält man ein * 16O

Beim Übergang in den Grundzustand erhält man wieder ein Photon mit der Energie von 6,130 MeV.

Andere Möglichkeit:

F19

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Wenn man Gammas braucht, die eine noch höhere Energie als 6 MeV haben müssen, gibt es noch andere Möglichkeiten:

- Benutzung von monoenergetischen Elektronen aus Beschleunigern ( und gleicher Energie erzeugen ähnliche Schauer)- Gammas aus Zerfällen: , zu fast 100%)- Gammas als Bremsstrahlungsquanten

0 e

0(

eeee

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Beispiele für Kalibrierungen:

1. Quellen-Kalibrierung

Zur Kalibration wurde eine - Quelle benutzt:Cs137

Diese emittiert Photonen miteine Energien von 662 keV.

4PbWO - Kalorimeter

Energieauflsg.

Energieauflösungen:- - FWHM

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2. Kalibrierung mit geladen Teilchen (Protonen)

Bei dieser Kalibration wurden minimal-ionisierende Protonen (MiP)benutzt. (Cosy, Jülich) In einem - Detektor werden Protonen ab einem Impuls von 1 GeV/c zu MiPs.MiPs haben einen festenEnergieverlust pro Weg-strecke von 13 MeV/cm.

4PbWO

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3. Kalibrierung mit Elektronen

Hierbei werden Elektronen mit bekannter Energiein den Detektor geschossen und anschließend wirdein Kalibrations Rundurchgeführt, um zu erfahren wie die Detektoren ansprechen.

(Mami B)

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4. Kalibration mit kosmischer StrahlungBei kosmischer Strahlung, die die untere Atmosphäre(Höhe < 5 km) er-reicht, handelt es sich hauptsächlichum Myonen. Die mittlere Energiebeträgt 4 GeV

Kosmische Myonen können wieder als MiPs betrachtet werden,d. h. die im Kristall deponierte Energie ist der Länge der Wegstrecke des Teilchens proportional.

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Bei einem Ereignis sprecheni. A. mehrere Detektorengleichzeitig an, die Energiedes Teilchens kann umso besser bestimmt werden, je mehr Kristalle ansprechen.- Peak wird immer schmaler- verschiebt sich zu höheren Energien

II. Inter-Kalibration, Bestimmung von i

3CeF

Verschiedene Möglichkeiten:- Eichung mit hochenergetischen Strahl- Eichung mit Daten (Beispiel: ) (siehe später) 0

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Hier kann man auchwieder sehen, daß jemehr Detektoren zur Bestimmung eingesetztwerden, desto besser istdie Messung der deponierten Energie.

4PbWO

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Bestimmung der Orts-Auflösung

Zur vollständigen Charakterisierung des Photons durch den Vierer-Impuls benötigt man neben der Energie- noch die Ortsinformationen. Man ordnet dem Detektor mit der höchsten Energie den Auftreffort zu, um den sich ein radialsymmetrischer Schauer ausbreiten wird. Man kann aus den Energien der benachbarten Detektoren den Schauer-schwerpunkt nach folgenden Formeln verbessern.

i

ii

ExE

x

i

ii

EyE

y

ii yx , Ortskoordinaten

iE Energiedeposition

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Die Ortsrekonstruktion erbringt eine gute Über-einstimmung mit der erwarteten Strahlfleckgröße.

Die Position eines Gammaskann auf diese Art sehr gutreproduziert werden.

y

x

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Bei einer höheren Einschußenergie wird die Ortsauflösung besser.

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2. Monitoring

Wenn die Kalibration erfolgreich durchgeführtworden ist, muß man hinterher immer wiederkontrollieren, ob die Kalibration noch in Ordnungist, da kleinste Veränderungen große Auswirkungenhaben können. Außerdem kann man hiermit auchüberwachen ob die Detektoren und die Elektronik inOrdnung ist oder ob einzelne Komponentenausgetauscht werden müssen, da sie beschädigt sind.

Lichtpulser

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Lichtpulser können auch dafür benutzt werden, um neue Kalibrierungskonstanten zu bestimmen ohne die aktuellen Messungen abbrechen zu müssen, da z. B. bei großen Beschleunigern viele Detektoren gleichzeitig in betrieb sind und man nicht die kompletten Messungen abbrechen kann, weil nur ein Detektor ein kleines Problem hat.

Lichtpulse werden über einen Lichtwellenleiter in den Detektor gelenkt.

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Lichtwellenleiter: Lichttransport durch totale, innere Reflektion

Stufenprofil:

1n und 2n Brechungszahlen der Materialien

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• maximaler Akzeptanzwinkel (ergibt sich aus )• n1, n2 Brechungszahlen der Materialien• Winkel der Totalreflexion

Mit den Werten =1,59 und =1,49 erhalten wir für einen Winkel von:

6,6912arcsinnn Totalreflexion für einen Winkel

größer als 69,6°!

1n 2n

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3. Extraktion physikalischer Größen

Invariante Masse

Am häufigsten in einem Histogramm eines elektromagnetischen Kalorimeters ist ein Peak bei 135 MeV . Dieser Peak kommt von der Reaktion 0

Dieser Peak kann im Nachhinein noch benutzt werden, um eine Inter-Kalibration durchzuführen. Der Vorteil hiervon ist, daß keine extraStrahlzeit von Nöten ist. ( - Bestimmung)

Beispiel:

i

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Spektrum mit dem Peak bei 135 MeV!

Da man die genaue Energie des Peaks kennt, ist es hinterhermöglich eine Inter-Kalibration durchzuführen, in dem man die Kalibrationskonst. so variiert bis der Peak von derBreite her ein Minimum ein-nimmt.Hierfür braucht man eine sehr hohe Rechnleistung. Invertierung einer N x N Matrix! (N = Zahl aller Kristalle)

i

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ZusammenfassungEichung:- Unterscheidung zwischen Einzelkristall und Inter-Kalibration- Eichung mit

- Gammas - monoenergetische Strahlen- kosmischer Strahlung- Lichtpulser- Daten

Überwachung:- LichtpulserExtraktion physikalischer Größen- invariante Masse

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Literatur- Doktorarbeit von Bernd Lewandowski

- Diplomarbeit von Matthias Hoek

- Diplomarbeit von Katja Ellen Römer

- Diplomarbeit von Kai Ingo Mengel

- HFT – Script von Prof. Dr.-Ing. H. Ermert

- Google: Stichpunkte: Kalorimeter, Eichung, Kalibration, ...