Candidato: Alessandra Lucà

Relatore: Dott. Stefano Miscetti

Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza

Efficienza di rivelazione per neutroniEfficienza di rivelazione per neutroni

con calorimetri eterogeneicon calorimetri eterogenei

a piombo e fibre scintillantia piombo e fibre scintillanti

Università di Roma “Tor Vergata”Tesi di Laurea di I livello

in FISICA

6 marzo 2008

Efficienza di rivelazione per neutroniEfficienza di rivelazione per neutroni

con calorimetri eterogeneicon calorimetri eterogenei

a piombo e fibre scintillantia piombo e fibre scintillanti

Il calorimetro di KLOEIl calorimetro di KLOE

L’esperimento KLOE, presso DAFNE (LNF), ha un

calorimetro elettromagnetico formato da strati

alternati di piombo e fibre scintillanti

Il calorimetro di KLOE è stato disegnato per

rivelare elettroni e fotoni

• Fibre scintillanti di 1 mm di diametro

(Kuraray SCSF-81 e Pol.Hi.Tech 0046)

– Nucleo interno: polistirene, =1.050 g/cm3,

n=1.6, peak ~ 460 nm

• sottili fogli di Pb scanalati (0.5mm di spessore)

• rapporto di volumi Piombo:Fibre:Colla= 42:48:10

• X0 = 1.6 cm =5.3 g/cm3

• Spessore del calorimetro 23 cm

• Spessore di contenimento = 14.4 X0

• Spessore totale dello scintillatore ~ 10 cm

1.2 mm

1.35 mm1.0 mm

Piombo

Rivelazione di neutroniRivelazione di neutroni Tradizionalmente per rivelare neutroni con energia tra 1-200 MeV si usano scintillatori

organici (lo scattering elastico di neutroni su atomi di H: i protoni acquistano energia

cinetica e vengono rivelati dagli stessi scintillatori)

efficienza proporzionale allo spessore 1%/cm

Misure preliminari stimate con i dati di KLOE (neutroni prodotti da interazioni K

nell'apparato) hanno mostrato un'alta efficienza (40%) del calorimetro

elettromagnetico per la rivelazione di neutroni con energia < 20 MeV, confermata dal

Monte Carlo ufficiale dell’esperimento.

La rivelazione di neutroni è importante per un esperimento alla macchina DANE, ad

alta luminosità.

Test beam dedicato effettuato con un fascio di neutroni presso “The Svedberg

Laboratory” (TSL) di Uppsala (2006, 2007, 2008) per confermare la misura di efficienza.

L'argomento della mia tesi è l'analisi dei dati raccolti nell'ultimo test beam (ottobre 2008).

Produzione del fascio di neutroni @ TSLProduzione del fascio di neutroni @ TSL

5.31 m

( 2 cm)

Tramite la reazione p + 7Li → n + 7Be viene prodotto un

fascio quasi monoenergetico di neutroni da 174 MeV.

Fascio di protoni con energia 180 MeV.

Spettro energetico dei neutroni con un picco alla massima

energia (a 174 MeV fp = 42% di neutroni nel picco)

Coda di neutroni termici

CICLOTRONE GUSTAF WERNER

Blue Hall

TRF = 45nsPICCOLO PROTOTIPO DEL PICCOLO PROTOTIPO DEL

CALORIMETRO DI KLOECALORIMETRO DI KLOE

Rivelatore utilizzato @ TSL Rivelatore utilizzato @ TSL Piccolo prototipo di KLOE :

- LxHxS = (65x13x24) cm3

- lettura da entrambe le facce

(side A, side B) tramite PMTs con

diametro 1, 1/8 “

- celle 35 (4.2 cm 4.2 cm)

Reference counter :

NE110; spessore 5 cm ; area 1020 cm2

letto da entrambi i lati

Display degli eventi

Le celle colorate indicano le celle colpite dal passaggio

della particella.

COLONNA CENTRALE

pian

in

Y XZ

SIDE A

SIDE B

Radiofrequenza

45ns

Rate Neutroni 20kHz

triggerPhase Locking

Il trigger è generato in fase con

la RF è abilitato dalla

coincidenza A and B.

Trigger e schema elettronicoTrigger e schema elettronico

TimeUnit

gate

Il Fan out replica il

segnale in tre copieDiscriminatori

TDC50ps/count

stop

common start

ritardo

Una copia del segnale viene discriminata e

ritardata prima di arrivare al TDC; essa dà lo

STOP per ogni singolo canale

ADC100fC/count

gate 200ns

ritardo

Una copia del

segnale

analogico arriva

all’ADC, con un

ritardo dovuto

all’elettronica

Discr.

Discr.

Σ (Side A)

Σ (Side B)

Dopo una somma

analogica su tutti i canali

per ogni side, il segnale

viene discriminato

Canale 0LinearFan inFan out

Canale 1

Canale N

• Sensibilità del TDC= (53.6 0.3) ps

Schema temporaleSchema temporaleIl fascio di protoni viene pulsato con

un periodo TRF = 45 ns.

I neutroni prodotti giungono dopo

un certo intervallo di tempo sul

calorimetro.

Il common start del TDC è fornito da

un trigger, generato in fase con la RF

ed abilitato dalla coincidenza delle

due side.

Con questa configurazione gli eventi

del picco vengono ben determinati,

ma gli eventi della coda (più lenti)

possono essere determinati con uno

start generato nel successivo TRF.

Calibrazione dei piedistalli e zero di caricaCalibrazione dei piedistalli e zero di carica•Il piedistallo è il valore di carica riportato dall’ADC in assenza di segnale esterno.

•Vengono effettuati dei run speciali, per stimare il valore (in conteggi di ADC) del piedistallo di ogni singolo canale

•Il piedistallo è calcolato attraverso un fit gaussiano dello spettro dei canali di ADC, Qraw

•Il fit mostra una variazione contenuta del valore del piedistallo in funzione del numero di run.

• Alla carica si sottrae il valore del piedistallo: Q = Qraw- PED >3

Scala in energia e MIPScala in energia e MIP• La misura dell'energia all'interno del calorimetro avviene tramite la misura della carica raccolta dai fotomoltiplicatori.

• Per valutare i guadagni vengono utilizzate le MIP.

Per ogni cella: E(MIP) = GA K E.

Con i valori ottenuti si cerca di equalizzare i guadagni.

L’energia totale della particella espressa in unità di MIP è:

ETOT= Qi/MMIP

i

Esempi di distribuzioni di MIP per 4 canali

che corrisponde a:

ETOT(MeV) = ETOT(MIP) K E

con KE = 35 MeV/MIP

En

trie

sE

ntr

ies

En

trie

sE

ntr

ies

En

trie

s

En

trie

s

Tpeak= Li/ (peak c)

T’ tail = Ttail + TRF

T tail < Tpeak - 2

(ns) (ns)

Allineamento dei tempi , poiché il trigger è “phase locked” con la RF (TRF =45 ns)

Allineamento dei tempi e ToFAllineamento dei tempi e ToF

Lo spettro di energia può essere ricostruito con il ToF:

Il tempo vero è: TTRUE= T –Tpeak +L0/ (peak c).

• Dal ToF spettro dei neutroni : T = Li / (c)

• Nota la massa dei neutronienergia cinetica: EK= E-Mn c2

En

trie

sE

ntr

ies

En

trie

s

Confronto Dati/MC e aloneConfronto Dati/MC e alone

Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con una sola cella.

• I clusters formati da una singola cella mostrano un rapporto celle accese laterali/centrali più alto di quello aspettato dal MC

• Le celle laterali mostrano una componente piatta non attesa dal MC

• Fit delle distributioni dei ToF nei dati con:

- forma del segnale attesa da MC

- parametrizzazione lineare del fondo;

Per ogni cella del calorimetro e per ogni soglia

del trigger

dati

MC all

BKG

C’è un fondo di neutroni di

bassa energia che formano un

alone attorno al core

Frazione di alone

dati

MC all

BKG

dati

MC all

BKG

cella centrale

Misura dell'efficienza su tutto lo spettroMisura dell'efficienza su tutto lo spettro

= Rtrigger × (1-B/(S+B))

RNEUTRONI ×

RNEUTRONI: numero di neutroni incidenti

(misurato tramite un monitor del fascio

sull'intensità del flusso di neutroni,

misurato dal TSL.)

B = backgroundB = background

S= segnaleS= segnale

: accettanza

( ≈ 1 , assumendo che il fascio sia completamente contenuto nella superficie del

calorimetro )

Rtrigger : numero di neutroni rivelati

L'ICM viene utilizzato online

il TFBC viene usato offline per calibrare

l'ICM: il sistema ha un'accuratezza del 10 %

Efficienza del calorimetro misurata con neutroni di 174 MeV

Misura preliminare dell’efficienza Misura preliminare dell’efficienza

- Il valore trovato è 4 volte

maggiore di quello aspettato per

uno spessore equivalente di

scintillatore

- Le efficienze misurate per lo

scintillatore di referenza sono in

accordo con i valori in letteratura

- Simulazioni dettagliate sono in

sviluppo

= 30 % a 15 MeV di soglia.PRELIMINARY

SparesSpares

Fibre scintillantiFibre scintillanti

1.2 mm

1.35 mm1.0 mm

Piombo

•Propagazione della luce attraverso riflessioni multiple all’interno del core e del cladding.

Es. di fibra ottica:

n1 =1.6, n2=1.49 → TR21°

•Lunghezza di attenuazione 3 – 4 m

TR = 21TR = 21

cladding

core 36

particella

Luminosità @ DALuminosità @ DANENE

• Il rate di eventi R in una collisione è

proporzionale alla sezione d’urto

d’interazione σint

La luminosità è il fattore di proporzionalità:

R = Lσint .

• La nuova macchina Dane ha una

luminosità maggiore di 5 x 1032 cm-2 s-1

• Alta luminosita’: alta frequenza di eventi da studiare

Il ciclotrone Gustaf WernerIl ciclotrone Gustaf Werner

Dati principali:

Raggio di estrazione: 1.2 m

Diametro della base del polo magnetico: 2.8 m

Campo medio massimo: 1.75 T

al a raggio massimo utile di 1.2 m

Radiofrequenza:

RF= 22 MHz => TRF = 45 ns

Energie disponibili per la produzione di un fascio di protoni:

20-180 MeV

PMT: Photo Multiplier TubePMT: Photo Multiplier Tube

Un PMT converte la luce in un segnale elettrico che poi amplifica.

I fotoni incidono su un fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette fotoelettroni.

Questi passano attraverso una serie di dinodi mantenuti a una certa ddp.

Da dinodo a dinodo, i fotoelettroni vengono così moltiplicati, prima di arrivare all’anodo.

Il guadagno è:

G ~ V Nd

La variazione in guadagno è:

V

VN

G

Gd

• Flusso assoluto di neutroni misurato dopo il collimatore con 2 monitors di intensità del fascio

Ionization Chamber Monitor (7 cm ): ICM

monitor online

Thin-Film Breakdown Counter (1 cm ): TFBC

monitor offline.

Viene usato per calibrare l’ ICM misurando il flusso di neutroni all’uscita del collimatore.

Conta il numero di fissioni dell’ 238U, da cui ricava la frazione di eventi del picco di neutroni, fp.

Rate(n) = Rate(ICM) K π r2 / fp

r = raggio del collimatore (1 cm)

K = fattore di calibrazione TFBC : ICM = 1Hz : 3 kHz/cm2

fp = frazione di neutroni nel picco

accuratezza: 10% per l’ energia del picco (180 MeV)

20% per energie più basse (20 – 50 MeV)

Neutron rateNeutron rate

Cosa sono le MIPCosa sono le MIP

Le Minimum Ionizing Particles, o Mip, sono particelle che nel passaggio attraverso la materia hanno un rate di perdita di energia vicino al minimo.Una fonte di MIP sono i raggi cosmici (muoni):

−<dE/dx> = cost => -E~ x

•Il valore della carica rilasciato dalle MIP in parte attiva è proporzionale solo allo spessore attraversato:

•Le MIP risultano utili ai fini della calibrazione della scala energetica.

A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation

April 8-9, 2008 - Saclay

• Spettro di TDC in conteggi:

• Le due linee rappresentano inizio e fine del range del plot.

• La prima linea si trova a

2390 2.9 cont.

la seconda a

3230 2.9 cont.

Sensibilità del TDCSensibilità del TDC

TRF = 45ns

(840 4) conteggi →(53.6 0.3)ns

La sensibillità si ricava da

TRF/TTDC

ClustersClusters

cellecella

cellecellacella

clu E

EXX

cellecella

cellecellacella

clu E

EZZ

00

X

Z

celle

cellaclu EE

cellecella

cellecellacella

clu E

ETT

Tempo

Coordinate spaziali

Energia del cluster

Fondo per cluster con più di una cellaFondo per cluster con più di una cella

Distribuzione del ToF per le celle del

1° piano per gli eventi con più di una

cella.

En

trie

sE

ntr

ies

En

trie

s

A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation

April 8-9, 2008 - Saclay24

Un tipico processo inelasticoUn tipico processo inelastico

n

Z(cm)

p

n1

n2

n3

n4

X(c

m)

primary vertex

En = 175.7 MeV En (p) = 126 MeV

L’aumento dell’efficienza sembra essere dovuto a un’enorme produzione inelastica

di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari:

- sono prodotti isotropicamente;

- sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e

di protoni, che può essere rivelata nelle fibre;

- hanno un’energia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove

interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /γ .

L’aumento dell’efficienza sembra essere dovuto a un’enorme produzione inelastica

di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari:

- sono prodotti isotropicamente;

- sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e

di protoni, che può essere rivelata nelle fibre;

- hanno un’energia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove

interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /γ .

A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation

April 8-9, 2008 - Saclay25

Scintillator efficiencyScintillator efficiency

(%)/ cm of scintillator

(%) - scint.

Larger errors at low energies due to:• big uncertainty in the beam halo evaluation • worse accuracy of the beam monitorsCorrection factor for beam halo 0.9 0.1

En

• Agrees with the “thumb rule” (1%/cm) at thresholds

above 2.5 MeV el.eq.en.

• Agrees with previous measurements in the same

energy range after rescaling for the thickness

26

Neutron interactions in the calorimeterNeutron interactions in the calorimeter Each primary neutron has a high probability

to have elastic/inelastic scattering in Pb

target Pel(%)

Pinel(%)

Pb 32.6 31.4

fibers 10.4 7.0

glue 2.3 2.2In average, secondaries generated in In average, secondaries generated in

inelastic interactionsinelastic interactions are are

5.45.4 per primary neutron,per primary neutron,

counting only neutrons above 19.6 MeV. counting only neutrons above 19.6 MeV.

neutrons

above 19.MeV

62.2%

photons 26.9%

protons 6.8%

He-4 3.2%

deuteron 0.4%

triton 0.2%

He-3 0.2%

Typical reactions on lead:Typical reactions on lead:

n Pbn Pb x x n n yy γγ Pb Pb

n Pbn Pb x x n n yy γγ p + residual nucleus p + residual nucleus

n Pbn Pb x x n n yy γγ 2 2p + residual nucleus p + residual nucleus

In addition,In addition, secondaries created in interactions of low secondaries created in interactions of low

energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average –energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average –

97.797.7 particles per primary neutron.particles per primary neutron.

neutrons 94.2%

protons 4.7%

photons 1.1%

Simulated neutron beam: Ekin = 180 MeV

Proton beam

Li targetn 5.5°

The simulation of the beam lineThe simulation of the beam line

Z(cm)Z(cm)

Y(c

m)

Y(c

m) Shielding

(concrete and steel)

Calorimeter

7Li Target

Gaussian angular distribution(Journal of Nuclear Scienceand Technology, supplement 2(2002), 112-115)

At the Li-target

At the

calorimeter

Ekin(MeV)

The beam line has been simulated starting from the

neutrons out of the Litium target

At the entrance of the

beam monitor

Journées GDR Nucléon - Instrumentation

April 8-9, 2008 - Saclay28

LEAD

GLUE FIBERS

base module

replicas

200 layers

Using the FLUKA tool LATTICE

the fiber structure of the whole calorimeter

module has been designed.

In the base module the calorimeter is

simulated in detail, both under the

geometrical point of view and with

respect to the used materials

The FLUKA simulation - part (I)The FLUKA simulation - part (I)

All the compounds have been carefully simulated.

- for the fibers, an average density between

cladding and core has been used : ρ = 1.044 g/cm3

- glue: 72% epoxy resin C2H4O, =1.14 g/cm3,

+ 28% hardener, =0.95 g/cm3

hardener composition

Polyoxypropylediamine C7H20NO3 90%

Triethanolamine C6H15NO3 7%

Aminoethylpiperazine C6H20N3 1.5%

Diethylenediamine C4H10N2 1.5%

The Pb-SciFi structureThe Pb-SciFi structure

Thr. (mV)

MeV

eq. el. en.

Thr. [mV] 15 75

Thr. [MeV] 5.3 22.8

(ex.) Fermi-Dirac fits for the sum of the cluster

energy side B

Determinazione soglia trigger in MeVDeterminazione soglia trigger in MeV