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  • Seminar Kalorimeter fr elektromagnetische Strahlung- Eichung von Kalorimetern (nur homogene)- Monitoring- Extraktion der physikalischen Gren

    Seminar: Kalorimeter fr em Strahlung -- Daniel Buschert

  • Gliederung1. Eichung und Optimierung der Auflsung3. Extraktion physikalischer Gren- Invariante Masse Energieeichung - Beispiele - Ortsbestimmung2. Monitoring Lichtpulser

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  • 1. EichungKalorimeter enthalten teilweise mehrere tausend Zhler.

    BABAR besteht aus6580 CsI(Tl) Kristallen.- 48 Ringe mit jeweils 120 Kristalle 8 Endkappenringe mitmax. 120 Kristalle

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  • - Analoge Ausgangs-Impulshhen mssen in digitale Informationenumgewandelt und abgespeichert werden.- Die Eichung (Kalibration) und berwachung einer so groen Anzahl von Kanlen erfordert einigen experimentellen Aufwand. Dabei mssen 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!

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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 Grenordnung von Piko-Coulomb erzeugt.Beispiel:Das einlaufende Teilchen erzeugt im Szintillator Photonen, die berden Wellenleiter zum Photomultiplier gelangen und dort dann in elektrische Signale umgewandelt werden.Andere Auslesemethode: Photodioden, ...

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  • Gewnscht wre bei den Szintillatoren eine lineare Beziehung zw. der Energie des einlaufenden Teilchensund der erzeugten Spannungim Detektorkristall.Aber in der Realitt ist es nicht so gegeben.Aus diesem Grund mssendie Kalibrierungskonstanten bestimmt werden, damit man den Zusammenhang herstellen kann. 6,1 MeV min. ionis. TeilchenEichung Einzelkristall

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  • Hierbei mssen die einzelnen Komponenten eines einzelnen Kristalls, bestehend aus einem Szintillator, Photomultiplier und ADC so einjustiert werden, da die einlaufenden Teilchen ein brauchbares Signal erzeugen, damit sie spter weiterverarbeitet werden knnen. Die Datenauswertung findet hinterher meistens ber eine Computer-Software statt. Hufig wird Origin oder PAW benutzt.

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  • Um przise Informationen ber die im Kalorimeter deponierte Energiezu erhalten, ist eine Kalibration der gesamten Auslesekette ber den gesamten Energiebereich unumgnglich.Fr jeden Kristall mu das Verhltnis zwischen der deponierten Energie und der detektierten Pulshhe ermittelt werden.Dabei spielen folgende Eigenschaften eine Rolle: Die Lichtausbeute der Szintillation Das Uniformittsprofil eines Kristalls Die Effizienz der Photodetektoren Die Kennlinie der gesamten Elektronik-Kette

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  • Inter-KalibrationEin einlaufendes Teilchen erzeugt nicht nur ein Signal in einem Detektor, sondern es sprechen immer mehrere Detektoren fast gleichzeitig an.Es mu eine Inter-Kalibration durchgefhrt werden.Zu einem gehren immer der einzelnen Detektoren.Detektor AbsorberN = Zahl der Detektoren pro Schauer

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  • Die Kalibrierungskonstanten knnen experimentell bestimmt werden, indem man bekannte Energien oder Teilchen in eines der Segmente schiet, von denen man wei, wie viel Energie sie dort deponieren. Gamma Strahler mit bekannter Energie Teststrahlen aus Monoenergetischen Elektronen oder Pionen LichtpulserDafr gibt es verschiedene Mglichkeiten:Welche Mglichkeiten der Eichung gibt es?I. Bestimmung von

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  • Zur absoluten Energie-Eichung ist ein Punkt < 10 MeV notwendig. Aus diesem Grund werden hufig Gamma Quellen eingesetzt. Diese Quellen gibt es bis zu einer maximalen Energie von 6,1 MeV.Gamma-QuelleDiese Quellen werden direkt vor den Kristallen positioniert undanschlieend wird ein Kalibrations Run durchgefhrt, wobei fr jeden Kristall ein Punkt auf der Kal.-Fkt. bestimmt wird.Diese Quelle wird dann im Nachhinein wieder entfernt: Um keinen zustzlichen Untergrund zu erzeugen Minimierung der Strahlenbelastung bei Wartungsarbeiten- Quelle:aus Pu6.1 MeV

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  • Bei BaBar wurde aus Platzgrnden eine andere Gamma Quelle verwendet:Hier wurde das Prinzip der flssigen Quelle mit benutzt:

    Dabei wird eine Flssigkeit, die radioaktiv angeregt wurde, durch ein filigranes Rhrensystem gepumpt, welches direkt vor der Frontseite der Kristalle entlangluft.Die Flssigkeit wird mit einem Neutronengenerator angeregt:Halbwertszeit: 7sDurch einen Zerfall erhlt man einBeim bergang in den Grundzustand erhlt man wieder ein Photon mit der Energie von 6,130 MeV.Andere Mglichkeit:

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  • Wenn man Gammas braucht, die eine noch hhere Energie als 6 MeV haben mssen, gibt es noch andere Mglichkeiten: Benutzung von monoenergetischen Elektronen aus Beschleunigern ( und gleicher Energie erzeugen hnliche Schauer) Gammas aus Zerfllen: , zu fast 100%) Gammas als Bremsstrahlungsquanten

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  • Beispiele fr Kalibrierungen:1. Quellen-Kalibrierung Zur Kalibration wurde eine - Quelle benutzt:Diese emittiert Photonen miteine Energien von 662 keV.- KalorimeterEnergieauflsg.Energieauflsungen: FWHM

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  • 2. Kalibrierung mit geladen Teilchen (Protonen)Bei dieser Kalibration wurden minimal-ionisierende Protonen (MiP)benutzt. (Cosy, Jlich) 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.

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  • 3. Kalibrierung mit ElektronenHierbei werden Elektronen mit bekannter Energiein den Detektor geschossen und anschlieend wirdein Kalibrations Rundurchgefhrt, um zu erfahren wie die Detektoren ansprechen.

    (Mami B)

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  • 4. Kalibration mit kosmischer StrahlungBei kosmischer Strahlung, die die untere Atmosphre(Hhe < 5 km) er-reicht, handelt es sich hauptschlichum Myonen. Die mittlere Energiebetrgt 4 GeVKosmische Myonen knnen wieder als MiPs betrachtet werden,d. h. die im Kristall deponierte Energie ist der Lnge 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 hheren EnergienII. Inter-Kalibration, Bestimmung vonVerschiedene Mglichkeiten: Eichung mit hochenergetischen Strahl Eichung mit Daten (Beispiel: ) (siehe spter)

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

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  • Bestimmung der Orts-AuflsungZur vollstndigen Charakterisierung des Photons durch den Vierer-Impuls bentigt man neben der Energie- noch die Ortsinformationen. Man ordnet dem Detektor mit der hchsten 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.OrtskoordinatenEnergiedeposition

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  • Die Ortsrekonstruktion erbringt eine gute ber-einstimmung mit der erwarteten Strahlfleckgre.Die Position eines Gammaskann auf diese Art sehr gutreproduziert werden.

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  • Bei einer hheren Einschuenergie wird die Ortsauflsung besser.

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  • 2. MonitoringWenn die Kalibration erfolgreich durchgefhrtworden ist, mu man hinterher immer wiederkontrollieren, ob die Kalibration noch in Ordnungist, da kleinste Vernderungen groe Auswirkungenhaben knnen. Auerdem kann man hiermit auchberwachen ob die Detektoren und die Elektronik inOrdnung ist oder ob einzelne Komponentenausgetauscht werden mssen, da sie beschdigt sind.Lichtpulser

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  • Lichtpulser knnen auch dafr benutzt werden, um neue Kalibrierungskonstanten zu bestimmen ohne die aktuellen Messungen abbrechen zu mssen, da z. B. bei groen 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 ber einen Lichtwellenleiter in den Detektor gelenkt.

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  • Lichtwellenleiter: Lichttransport durch totale, innere ReflektionStufenprofil:und Brechungszahlen der Materialien

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  • maximaler Akzeptanzwinkel (ergibt sich aus )n1, n2 Brechungszahlen der Materialien Winkel der TotalreflexionMit den Werten =1,59 und =1,49 erh