UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA

“TOR VERGATA”

Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e NaturaliCorso di Laurea Triennale in Fisica

Calibrazione ed analisi datidel monitor di carica

per l’esperimento RAP pressola Beam Test Facility dei

Laboratori Nazionali di Frascati

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA

“TOR VERGATA”

Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e NaturaliCorso di Laurea Triennale in Fisica

Calibrazione ed analisi datidel monitor di carica

per l’esperimento RAP pressola Beam Test Facility dei

Laboratori Nazionali di Frascati

Perché l’esperimento RAP

Perché l’esperimento RAP

Nel 1997 sono stati osservati segnali dovuti al passaggio di raggi cosmici; l’interazione tra i raggi

cosmici e l’antenna viene descritta dal modello Termoacustico

Dal 1993 è in funzione ai LNF il rivelatore per onde gravitazionaliNautilus

Verde: misure di NAUTILUS Nero: dati attesi per la componente adronicasecondo il modello termoacustico

Quando Nautilus ha lavorato in regime superconduttivo è stata riscontrata la presenza di fenomeni in cui l'energia rilevata dall'antenna appariva essere molto maggiore di quella attesa; al contrario, in regime non superconduttivo, la frequenza di eventi particolarmente energetici appariva in accordo con il valore teorico atteso

Una particella ionizzante attraversa

un cilindro metallico

rilascio di energia

riscaldamento locale

eccitazione dei modi vibrazionali

2 (1 )TH

V

LB W

C M

Il modello termoacusticoIl modello termoacusticoL’ampiezza dell’oscillazione del primo modo longitudinale è

Verificato solo a temperatura T=300K

Proporzionale al parametro di Grüneisen(γ)

Tiene conto di:a) correzioni dell’ordine O[(R/L)2]b) Dimensioni finite dello spot del fascio

RAP:l’apparato sperimentale

RAP:l’apparato sperimentale

• Rivelatori risonanti• Il sistema di sospensione• Il sistema criogenico• I trasduttori

Per i test è stato utilizzato il fascio di elettroni fornito dalla Beam Test Facility

di DAΦNE

RAP:l’apparato sperimentale

RAP:l’apparato sperimentale

Antenna: cilindro diAl5056 50x18 cm, 35 Kg = 5096 Hz @ 296 K

Due piezoelettrici ceramici Pz24 connessi in parallelo permettono di misurare l’ampiezza delle oscillazioni della barra dovute all’innalzamento locale della temperatura causato dal rilascio di energia da parte del fascio

Antenna: cilindro di niobio27x10 cm, 18 Kg = 6373 Hz @ 290 K

Il sistema di sospensione, costituito da 7 filtri meccanici, permette di garantire un’attenuazione di -150dB in un intervallo di frequenza che va da 1.7 KHz a 6 KHz

maxm

VB

G

RAP:l’apparato sperimentale

RAP:l’apparato sperimentaleMassima energia del fascio : 800 MeV e- 500 MeV

e+ Frequenza impulsi : fino a 50 HzDurata impulsi : 1 – 10 nsSpread in energia : 1 %Particelle per impulso : fino a 1010

Criostato a elio liquido(+ refrigeratore a diluizione)

RAP:finalitàRAP:finalità

THBTHBConfrontare il valore dell’ampiezza delle oscillazioni del primo modo vibrazionale dei rivelatori Bm con quello che ci si aspetta dal modello termoacustico BTH

mBmB

Verifica del modello termoacustico a T< 300K e in stato superconduttore

Eventuali deviazioni dal modello in corrispondenza della transizione conduttore-superconduttore

Sommando il contributo energetico dovuto a ogni particella secondaria è possibile ottenere l’energia totale rilasciata da un elettrone alla barra

La simulazione (GEANT) tiene conto:della reale geometria del sistema, del materiale del criostato e del rivelatoredelle caratteristiche del fascio di elettroni disponibile alla Beam Test Facility (BTF)

Simulazione Monte CarloSimulazione Monte Carlo2

(1 )THV

LB W

C M

453 39 EE MeV

Distribuzione delle particelle secondarie per un e- di 510MeV che attraversa la barra di niobio.

W EW N E N

453 39 EE MeV

1W E

W E N

Calibrazione ICTCalibrazione ICTQuando il fascio attraversa l’Integrating Current Transformer (ICT) viene indotta una corrente proporzionale a quella del fascio tale che

Attraverso la bobina di calibrazione è possibile indurre in modo “controllato” una corrente nell’ICT. Ciò simula quanto avviene con un bunch reale di elettroni

1out beamI dt I dt

R

Calibrazione tramite oscilloscopio

Calibrazione tramite oscilloscopio

Configurazione utilizzata per la calibrazione tramite oscilloscopio

Profili di un segnale in ingresso e il corrispondente segnale in uscita con le rispettive integrazioni.

Le tracce continue corrispondono ai segnali integrati

Ampiezza segnale 2V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

9.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

R

Ampiezza segnale 3V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

9.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

RRisultati della calibrazione

tramite oscilloscopioRisultati della calibrazione

tramite oscilloscopioAmpiezza segnale 1V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4509.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

R

Ampiezza segnale 3V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

9.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

R

(1 )kxy s e b

R diventa costante solo per segnali oltre i 150nsAndamento indipendente dall’ampiezza del segnale

10,6 0,2asR s b

s=0.61±0.10b=9.98±0.08k=0.0067±0.0015

Ampiezza segnale 1V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4509.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

R

s=0.73±0.11b=9.84±0.10k=0.0098±0.0040

s=0.53±0.13b=9.98±0.13k=0.0141±0.0086

Ampiezza segnale 2V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

9.59.69.79.89.9

10.010.110.210.310.410.510.610.710.810.911.011.111.2

Durata Impulso (ns)

R

Calibrazione tramite QDCCalibrazione tramite QDC

Configurazione utilizzata per la calibrazione tramite QDC

Eseguita con l’elettronica utilizzata per l’esperimento RAP

Necessaria per evidenziare l’eventuale introduzione di rumore al segnale da parte degli apparati elettronici

Distribuzione dei conteggi QDC relativi a un segnale di ampiezza 1V, durata 30ns e tempo di salita 5ns

Calibrazione tramite QDCCalibrazione tramite QDC

Prima di iniziare la presa dati è stato determinato il piedistallo relativo ai canali del QDC utilizzati

Pin=573±6Pout=210±5

I=3042±8O=441±5

in

out

I PR

O P

Risultati della calibrazione tramite QDC

Ampiezza segnale 1V

0 10 20 30 409.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

Durata Impulso

R

Misura compatibile con il valore asintotico delle misure fatte con l’oscilloscopio

R=10,6±0,3R=10,6±0,3

Analisi dati RAPAnalisi dati RAP

Schema del sistema di acquisizione dei dati relativi alla carica del fascio utilizzato durante l’esperimento RAP

Q D R K SQ = Carica del bunch di elettroni

D = Differenza tra i canali QDC di una singola misura e il relativo piedistallo

R = Rapporto di trasformazione dell’ICT

K = Fattore di conversione di carica del QDC

S = fattore di riduzione del segnale dovuto allo splitter

Analisi dati RAPAnalisi dati RAP

Piedistallo σ

742.8 4.9

REAL FUNCTION ele(ped,sped)[…]REAL pQ,diff,sped,errpq,Z Z=0.008/2. IF((drh0-ped)>sped) THEN diff = (drh0-ped) ele= (diff)*100.*10.6*2./4096.*1e7/1.6 pQ = (diff)*100.*10.6*2./4096. errdiff = (1.+ (sped)**2)**0.5 errpq=(pQ)*((0.3/10.6)**2.+Z**2.+((errdiff)/(diff))**2.)**0.5 ELSE ele= -1 pQ = -1 ENDIF write (*,*) idnevt,ele,pQ,errpq,diff,errdiff END

Analisi dati RAPAnalisi dati RAPOra Carica(pC) Errore(pC)

14.45.00 11,5 2,6

14.48.00 12,5 2,6

14.50.00 5,8 2,6

14.51.00 11 2,6

14.55.00 19,8 2,6

14.56.00 24,4 2,7

14.57.30 19,8 2,6

14.59.00 24,4 2,7

15.00.00 23,4 2,7

15.01.30 65,8 3,2

15.03.00 63,2 3,1

15.04.30 60,7 3,1

15.11.30 52,4 3

15.13.00 58,6 3,1

15.31.00 120,2 4,3

Ora Carica(pC) Errore(pC)

15.32.45 133,6 4,6

15.34.15 136,7 4,7

15.38.00 138,3 4,7

15.40.00 186,4 5,9

15.41.40 201,4 6,3

15.43.15 212,3 6,5

16.21.00 161,1 5,2

16.24.00 195,7 6,1

16.25.30 177,1 5,6

16.27.00 193,2 6

16.33.00 8,9 2,6

16.34.00 7,9 2,6

16.35.00 5,3 2,6

16.36.00 4,8 2,6

16.37.00 5,3 2,6

3%Q

Q

54%Q

Q

Q D R K S

Analisi dati RAPAnalisi dati RAPNota la carica di un singolo bunch di elettroni è possibile risalire facilmente al numero N di e- da cui è composto

Grazie ai risultati del Monte Carlo è possibile allora trovare l’energia rilasciata alla barra da un singolo bunch

QW N E E

e

W Q EW Q E

1EE N

A causa del comportamento calorimetrico della barra risonante, si ha

ConclusioniConclusioni

L’errore relativo associato all’energia rilasciata alla barra da un singolo bunch è equivalente a quello della carica del bunch stesso e, di conseguenza, anch’esso ha come limite inferiore l’errore relativo con il quale si è determinato il rapporto R di trasformazione dell’ICT

In corrispondenza dei bunch con una carica maggiore di 60pC si sono ottenuti errori relativi al numero di elettroni incidenti ragionevolmente contenuti (3%-5%); per impulsi di carica inferiore l’errore raggiunge anche il 50%. Il 3% (ICT) rimane in ogni caso un limite inferiore per tale errore.

ConclusioniConclusioni

SC

m (4.5K) = 0.605 (SC)m (12.K) = 1.011 (NC)m (81K) = 1.086 (NC)m (275K) = 1.015 (NC)

preliminary

preliminary

ConclusioniConclusioni