I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para el proyecto R3B en FAIR

Transcripción

1 I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para el proyecto R3B en FAIR H.Alvarez-Pol, J.Benlliure, E.Casarejos, D.Cortina, I.Durán, M.Gascón, N.Montes y D.Pérez-Loureiro Grupo Experimental de Núcleos y Partículas (GENP) Universidad de Santiago de Compostela EFN06

2 Índice FAIR y el proyecto R3B Califa: estudio y desarrollo resultados previos ToF-Wall: ideas preliminares Conclusiones

3 FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research ) Nuevo Complejo de aceleradores en GSI Darmstadt (Alemania) Haces de núcleos estables, radiactivos y p. Doble sincrotrón +Anillos colisionadores. Mayores intensidades: (1012 iones/s)@ 2-30 GeV/u. Mejor calidad de haces secundarios: enfriamiento. Programa científico: Estructura nuclear y astrofísica con núcleos exóticos. Física hadrónica con antiprotones. Colisiones entre iones pesados relativistas Física atómica y física de plasmas.

4 R3B at FAIR R3B Reactions with Relativistic Radioactive Beams

5 El proyecto R3B Calorímetro gamma de absorción total y alta resolución Detector de tiempo de vuelo (ToF) para iones pesados Requisitos del detector ToF: Requisitos del calorímetro: Eficiencia absorción total: hasta Eγ=15MeV Identificación de fotones: Multiplicidad: Energía suma: Eff > 80% ΔEγ /Eγ < 3% σ(nγ)/<nγ > < 10% σ(esum)/<esum> < 10% Identificación isotópica hasta A=180. Gran aceptancia angular. Alta granularidad.

6 Índice FAIR y el experimento R3B Califa: estudio y desarrollo resultados previos ToF-Wall: ideas preliminares Conclusiones

7 Requisitos del Califa Especificaciones según R3B Technical Proposal: Absorción total: Identificación de fotones: Eff > 80% hasta Eγ=15MeV ΔEγ /Eγ < (3-5)% Determinación de multiplicidad y energía suma: σ(esum) / <Esum> < 10% Todo ello integrado dentro de R3B y a un coste razonable! lo que nos determina: -Cristales de gran longitud y con las mejores propiedades disponibles (homogeneidad, linealidad ) -Máxima recolección de luz -Alto rango dinámico en la electrónica de lectura, bajo ruido Plan del CALIFA : I+D en cristales, lectura, diseño Final 2006: propuesta técnica detallada Primer trimestre 2007: contratación : construcción y control de producción 2010: primer haz en FAIR/GSI

8 Requisitos del Califa Como problema adicional del haz relativista, el boost de Lorentz (β 0.82) aumenta la energía de los gamma hasta un factor Elab 3.2ECM Para calcular la energía CM se requiere una alta resolución en el ángulo polar: alta granularidad ~5000 cristales (para un ángulo polar cubierto entre 6 y 130 grad) La distribución angular deja de ser isótropa, picando hacia delante ECM = 10 MeV β = 0.82

9 Descripción de la simulación Basada en GEANT4 + ROOT Generador de gammas con boost de Lorentz Segmentación de acuerdo con la propuesta Posibilidad de seleccionar diferentes materiales para los cristales y el medio (wrapping, soportes, ) Cristales separados por 1mm de espacio. Simulación completa de la pérdida de energía en los cristales del calorímetro. En verde las trayectorias de los gamma. Los puntos rojos corresponden a interacciones con pérdida de energía en el medio.

10 Granularidad y perfil del detector Resolución angular y perfil óptimo A partir de la relación entre energías LAB y CM, se calcula la resolución angular requerida: Las curvas muestran la resolución en ángulo polar requerida para que la contribución a la reconstrucción de la energía sea una constante Perfil ideal para un cristal de tamaño cte. Región crítica alrededor de 35º (0.6 rad)

11 Simulación de sucesos Actualmente estamos trabajando en el desarrollo del barril central, con cristales de CsI(Tl). Mediante distintos algoritmos de reconstrucción de las trazas de los gammas, calculamos la eficiencia y la resolución en energía, sumando las energías depositadas en cristales contiguos.

12 Resolución en energía en función de los algoritmos de reconstruccion de las trazas

13 Desarrollos hardware Estamos tratando de encontrar los límites de la resolución alcanzable con los componentes actualmente disponibles: Cristales PMs versus APDs Electrónica asociada

14 Estudio de los cristales!?

15 La respuesta espectral con FMs CsI_pure CsI(Tl) Comparing CsI(Tl) and CsI_pure coupled to different PMs: UV-extended extended Borosilicate Green-

16 Estudios con APDs Sensibilidad espectral de los APDs S x 10 mm Respuesta espectral de los APDs acoplados a los cristales

17 Resultados medidos Datos adquiridos con preamp. Camberra, osciloscopio y programa propio de analisis de señal

18 Resultados medidos Resumen de resultados obtenidos con cristales de CSI(Tl) de diferentes tamaños (mejorables mediante control de la temperatura y uso de un preamp. ad-hoc)

19 Índice FAIR y el experimento R3B Califa: estudio y desarrollo resultados previos ToF-Wall: ideas preliminares Conclusiones

20 Tof-Wall en R3B Detector de tiempo de vuelo (ToF-Wall) para iones pesados Requisitos del detector ToF: Identificación isotópica hasta A=180. Amplia aceptancia angular. Alta granularidad.

21 Identificación isotópica Energía 700 MeV/u x2 x1 x3 ToF θ Blanco D ToF 50 ns A=200,E=700MeV/u 15 m de distancia σtof < 40 ps

22 Requisitos del ToF-Wall TAMAÑO Fisión de 238 GRANULARIDAD U a 500MeV/u x2 x1 x3 ToF Blanco D D (m) Diámetro (m) cm garantizan una probabilidad de impacto múltiple inferior al 5%

23 Propuesta de uso de RPCs E Auto-extinción de la descarga debido a: Alta resistencia de los electrodos. Absorción de los fotones UV. Captura de los electrones más externos de la avalancha. Detectores de ionización gaseosa Campo eléctrico uniforme: (E=V/d 100 KV/cm) Avalancha de e- de acuerdo con la ley de Townsend. Capacidad de tasa: Limitada por la resistencia de los electrodos: Permanencia de la carga en los electrodos durante un cierto tiempo El campo efectivo es menor Peor eficiencia Menor resolución Modos de operación: Avalancha: Baja amplificación de la mezcla FEE y amplificación necesarios Streamer: Carga espacial variaciones en el campo. Recombinación fotones UV nuevas avalanchas (descarga) rápido, pero tiempo muerto muy grande.

24 RPCs Multi-Gap Varias placas resistivas equiespaciadas que dividen el gas en diferentes gaps. El voltaje se aplica a los electrodos exteriores. Mejoran la eficiencia y resolución temporal Inconvenientes: Mayor complejidad mecánica. Mayor masa interpuesta. Mayor alto voltaje: 2.5 kv/gap Nunca usadas para iones pesados!

25 Prestaciones de las RPCs Factores: Mezcla gaseosa Tamaño del gap Número de gaps Voltaje de operación Electrónica de lectura Prestaciones de las RPCs Multi-gap Gap (mm) Nº de gaps ε (%) σ (ps) Experimento STAR (MIPS) <73 FOPI (MIPS) ALICE (MIPS) >95 67 HADES (12C)

26 Propuesta Conceptual out out Tres planos de detección rotados 120º Ocho módulos de 100 x 26 cm 2 por plano. Aceptancia angular mayor del 99% a 600 MeV/u. σt = 50 ps /plano σttotal = 50/ 3 30 ps Electrodos de lectura segmentados:10 tiras/módulo de 2.5 cm δx 3 mm. Área celda = 12 cm 2 impacto múltiple <5%. Electrodos consecutivos leídos con un mismo preamplificador

27 Prototipos desarrollados G10 Cu RPC Doble Gap Gap de 300 μm Señal diferencial Mylar Al Vidrio Los prototipos construidos están siendo probados con rayos cósmicos. Tests con haz de iones pesados realizados (Nov 05 y Jul 06) Análisis en curso

28 Resultados de test-beam Distribuciónes de la carga depositada. Cósmicos Iones y distintas mezclas y HVs Ajustes a distribuciones de Poisson

29 Conclusiones Estamos en ello!