NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche...
-
Upload
colombo-meli -
Category
Documents
-
view
216 -
download
0
Transcript of NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche...
NEUCAL:NEUCAL:un rivelatore di neutroni per la separazione un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetichedi particelle adroniche ed elettromagnetiche
nei raggi cosmicinei raggi cosmici
Candidato: Giovanni Sorichetti
Relatore: Prof. Oscar Adriani
Università degli Studi di Firenze
15/12/2009 Sesto Fiorentino (FI)
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Tesi Laurea Specialistica in Scienze Fisiche e Astrofisiche
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
La misura precisa e con alta statistica dello spettro d’energia di elettroni e positroni potrebbe evidenziare la presenza di materia oscura (deviazione da legge di potenza)
Importanza della separazione e/h nei raggi cosmici
Il flusso di protoni e quello di elettroni di alta energianei raggi cosmici differiscono di 3-4 ordini di grandezza 1 TeV
Tecniche calorimetriche ‘tradizionali’ Lo sviluppo in un calorimetro è DIVERSO
per sciami adronici VS. elettromagnetici:
• profilo longitudinale e profilo trasversale;
• punto iniziale dello sciame.
Esperimenti recenti che utilizzano questa tecnica per la separazione e/h:
Potere di reiezione: dati un certo numero di eventi di segnale e di fondo (NTOT
segnale << NTOTfondo) e certi tagli di
selezione per eliminare il fondo nella misura del segnale:
1 / P.R. = Npassfondo / NTOT
fondo
PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter)
Gli sciami adronici hanno uno sviluppo
più ampio (dimensoni vanno ~ VS. ~ X0 , RM)
La prima interazione di un adrone avviene a profondità maggiore
Con la tecnica di discriminazione calorimetrica si raggiungono P.R. dell’ordine di 104-105
L’esperimento CALET (CALorimetric Electron Telescope)
SIA (SIlicon Array) rivelatore a pixel al silicio
IMC (IMaging Calorimeter) fibre scintillanti + tungsteno
TASC (Total AbSorption Calorimeter) BGO
Per la separazione e/h CALET utilizza la tecnica di discriminazione calorimetrica: dalle simulazioni della collaborazione P.R. ~ 105
Peso dello strumento
~ 1500 kg
Rivelatore di neutroni al di sotto dei calorimetri; dimensioni laterali compatibili con CALET: 68 x 68 cm2
La nostra proposta
Fattore circa 35
Da simulazioni effettuate dalla collaborazione CALET:
• stessa energia rilasciata in TASC per p da 1 TeV e per e da 400 GeV;
• numero medio di n prodotti negli sciami diverso per p e per e;
• spettro d’energia dei n uscenti da TASC simile per sciami da p e da e.
n da diseccitazione dei nuclei
n da emissione diretta
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
Sommario
Classificazione dei neutroni
I neutroni sono classificati a seconda
della loro energia cinetica:
ultrafreddi ~ 1 eV freddi ~ 1 meV termici (o lenti) ~ 25 meV epitermici ~ 0.1 eV ~ 100 keV veloci > 100 keV > 10 MeV di alta energia > 100 MeV
Il tipo di processo nucleare coinvolto nelle interazioni dei neutroni con la materia dipende fortemente dalla loro energia cinetica:
fissione regione termica cattura radiativa bassa energia (~ 1/v)+ risonanze scattering elastico da nuclei regione ~ MeV scattering anelastico ~ 1 MeV (processo a soglia) reazioni nucleari (n, p) (n, )... ~ eV ~ keV produzione di uno sciame adronico d’alta energia > 100 MeV
Reazioni di conversionePer poter essere rivelati, i neutroni devono trasferire almeno una parte della loro energia cinetica a particelle cariche (reazioni di conversione) o a fotoni
In commercio esistono vari rivelatori di neutroni termici basati su alcune reazioni nucleari che li convertono in particelle cariche direttamente rivelabili
term ~ 5000 barn
term
573 keV 191 keV
Moderazione di neutroni
Sezione d’urto per scattering elastico
1H
C
27Al
L’energia del neutrone dopo uno scattering con un nucleo di massa A è compresa nell’intervallo:
L’energia MASSIMA di rinculo del nucleo dopo uno scattering è invece (la minima è ZERO):
In entrambi i casi la distribuzione d’energia è uniforme nei rispettivi intervalli
In PAMELA si utilizzano due blocchi di polietilene (ricco di idrogeno)
Rivelatore attivo Proponiamo di utilizzare un materiale capace di rallentare i neutroni e di produrre un segnale misurabile in corrispondenza del loro rallentamento (moderatore attivo)
Possiamo utilizzare uno scintillatore plastico veloce letto da un fotomoltiplicatore:
• segnali dalla moderazione di neutroni veloci
• segnali dalle interazioni del fotone emesso per cattura radiativa di neutroni termalizzati
term
2.2 MeV
term ~ 0.5 barn
1H
C
208Pb
206Pb
207Pb
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
Sommario
Struttura del rivelatore di neutroni NEUCALRivelatore di neutroni multistrato:
- 11 piani attivi di scintillatore plastico (68 x 68 x 1 cm3) - 2 piani di contatori proporzionali a 3He - 10 strati passivi di Pb (68 x 68 cm2) [vedi prototipo del calorimetro KLOE]
Run di simulazione (1000 eventi di n singolo): - 4 energie cinetiche iniziali (100 keV, 1 MeV, 10 MeV, 100 MeV) - 3 disposizioni dei due piani di contatori proporzionali - 3 spessori di strati passivi di Pb (Senza Pb, 0.5 mm, 5 mm)
Simulazione Monte Carlo con FLUKA
Ottimizzazione della risposta di NEUCAL a un n singolo
Simulazione Monte Carlo: - genera una particella iniziale e ne segue in dettaglio il trasporto nel rivelatore; - in caso di interazione può produrre esplicitamente uno o più secondari (trasportati a loro volta); - accesso alle informazioni di ciascuna particella trasportata (rilasci d’energia, tempo e posizione di questi...) ad ogni passo
Abbiamo scelto il software FLUKA (adatto e largamente utilizzato per la simulazione di neutroni)
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
INTRODUZIONE
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
Moderazione di n a seconda dell’energia cinetica iniziale
Picco n non interagenti
Picco n termalizzati
Termalizzazione n + da cattura radiativa (1H)
Picco KERMA (12C)
Termalizzazione n + da cattura radiativa (58Ni, 63Cu)
Energia rilasciata complessivamente negli 11 piani di scintillatore di NEUCAL da ciascun n singolo
100 keV
100 MeV
1 MeV
10 MeV
Analisi della risposta del rivelatore
Passaggio dalla struttura a STEP a quella a HIT: - diverso comportamento delle particelle tracciate esplicitamente da FLUKA e dei rilasci puntiformi d’energia
- soglia energetica e temporale per i rilasci significativi e risolvibili dal sistema scintillatore-fotomoltiplicatore (10 keV)
Per ogni piano di scintillatore 200 bin temporali (50 da 10 ns + 150 da 10 s):
se il rilascio d’energia in un certo bin temporale di un certo scintillatore è di almeno 10 keV abbiamo un HIT
Efficienza del sistema di scintillatori di NEUCAL (11 piani spessi 1 cm)
Condizione di neutrone ‘visto’: almeno due HIT nell’ evento
Condizione di neutrone ‘visto’: almeno un HIT nell’ evento
Contributo energetico dei singoli piani di scintillatore
Alle energie più alte tutti i piani di scintillatore sono importanti dal punto di vista dell’energia rilasciata
100 keV
1 MeV
10 MeV
EM
ED
IA [M
eV]
EM
ED
IA [M
eV]
EM
ED
IA [M
eV]
Simulazioni con strati di piombo
• L’efficienza (in NEUCAL) migliora solo per i n da 10 MeV e 100 MeV inserendo 10 strati passivi da 5 mm ognuno;
• la presenza di Pb (X0 = 0.56 cm) priva gli scintillatori di gran parte dei segnali dovuti ai fotoni emessi per cattura radiativa;
• il Pb rende lo strumento meno compatto e lo appesantisce notevolmente
Rinunciamo ad utilizzare il piombo
Distribuzione spaziale degli HIT
100 keV: x,y in (-5, 5) cm 1 MeV: x,y in (-10, 10) cm 10 MeV: x,y in (-10, 10) cm
Distribuzione temporale dell’energia degli HIT
interazioni dei fotoni
Due diverse scale di tempo: (da tenere presenti nello scegliere l’elettronica di acquisizione dei segnali)
• moderazione attiva (visibile fino a ~ 100 ns)
• cattura radiativa di n termalizzati (da ~ 10 s fino a ~ 300 s) log (t [ns])
log (t [ns])
log
(E [
keV
])
log
(E [
keV
])
moderazione attiva
Middle Down Top Middle Top Down
Efficienza dei contatori proporzionali a 3He
Efficienza
Distribuzione temporale delle ‘catture’ di n in 3He
~ 300 s~ 10 s
La scala di tempo associata alle catture nei tubi a gas è la stessa trovata per i segnali dai fotoni emessi nelle reazioni di cattura radiativa dei neutroni (prima devono essere termalizzati)
log (t [ns])
log (t [ns])
log (t [ns])
REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
INTRODUZIONE
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
Sommario
Struttura a nove moduli
Tripletta di scintillatori plastici letti dallo stesso fotomoltiplicatore (accoppiamento attraverso una guida di luce in Plexiglas) 25 cm
8.5 cm
Caratteristiche tecniche dei componenti utilizzatiNella costruzione del Prototipo abbiamo utilizzato 27 blocchi di scintillatore plastico veloce prodotti dalla ELJEN TECHNOLOGY (EJ-230) di dimensioni: 25 x 8.5 x 1 cm3
Per il Prototipo abbiamo avuto a disposizione 5 contatori proporzionali cilindrici a 3He prodotti dalla CANBERRA (12NH25/1): la lunghezza del volume attivo del tubo è la stessa degli scintillatori
CANBERRA CANBERRA Modello 12NH25/1 12NH25/1
Preparazione e assemblaggio dei moduli del Prototipo Assemblaggio dei nove moduli in camera bianca (estate 2009)
allineamento degli scintillatori
grasso ottico
BC-630
PMT HAMAMATSU
(R5946)
mantenere un buon contatto ottico
Il Prototipo di NEUCAL nella configurazione usata nei test
I test degli scintillatori dei moduli del Prototipo di NEUCAL sono stati effettuati acquisendo muoni in laboratorio (Settembre 2009) [vedi A. Tiberio, Calibrazione del sistema di scintillatori NEUCAL, Tesi di Laurea Triennale in Fisica (2008-2009)]
Per concludere
Simulazione di NEUCAL con FLUKA: - efficienza di rivelazione dei neutroni negli scintillatori - effetto del piombo - efficienza dei tubi a 3He - distribuzione spaziale e temporale dei rilasci di energia
Prototipo di NEUCAL: - definizione del Prototipo (struttura e dimensioni) - simulazione del Prototipo con FLUKA - preparazione e assemblaggio dei moduli