Universit

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Università degli Studi di Roma Tor Vergata
Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali

• Tesi di Laurea in Fisica

Caratterizzazione di un calorimetro omogeneo
Candidato Flavio Archilli
Relatori Prof. Carlo Schaerf Prof.ssa Annalisa
DAngelo Correlatori Dott. Giovanni
Mazzitelli Dott. Bruno Buonomo
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Infinitamente piccolo
Per esplorare linfinitamente piccolo abbiamo
bisogno di strumenti adatti, e calibrati
Rivelatori

• Ci forniscono informazioni su
• Tipo di particella
• Posizione
• Impulso
• Energia

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Calorimetri
Misura dellenergia delle particelle
Interazioni radiazione materia
Perdita di Energia (assorbimento totale)
Misura
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Obiettivo
Studiare la linearità e la risoluzione di un
calorimetro elettromagnetico omogeneo a vetro al
piombo utilizzando un fascio a multibunch di 500
MeV
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Calorimetro
Componenti
Materiale attivo
Fotomoltiplicatore
Trasforma un segnale luminoso in segnale elettrico

• A sampling materiale attivo alternato da
  materiale passivo
• Omogeneo tutto materiale attivo

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Tipo di Calorimetro utilizzato
Calorimetro elettromagnetico omogeneo a vetri a
piombo drogato al cerio
Vetro a piombo
Fotomoltiplicatore
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Interazione radiazione-materia
Modello semplificato (app. A Rossi) per
studiare la perdita di energia di una particella
allinterno del calorimetro
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Cascata elettromagnetica
Lelettrone incide sul materiale attivo

• Bremsstrahlung
• Creazione Coppie da parte del fotone di
  Bremsstrahlung

EgtEc
Perdita per ionizzazione
EltEc
Scintillazione
Dove lenergia critica è definita dalla relazione
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Cascata elettromagnetica
MODELLO
Unità del processo Lunghezza di radiazione X0
lunghezza dopo la quale lenergia di una
particella diminuisce di un fattore 1/e Raggio
di Moliere RMX0(21,2MeV/Ec)
t
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La strumentazione
Caratteristiche fisiche del vetro a
piombo X02.07 cm RM2.4 cm r4.6 g/cm3 Ec 21
MeV
Lunghezza vetro a piombo 40cm
20 X0
5 cm di lato
1 RM dal centro sezione del vetro
Problemi di contenimento?
Un fascio di 30 GeV è completamente contenuto
longitudinalmente in 20 X0
Esperimento a 500 MeV TRANQUILLI!
In 2 RM è contenuto il 95 della componente
trasversale della cascata
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Scintillazione
Scintillatore materiale che mostra la proprietà
nota come luminescenza Luminescenza
assorbimento di energia nella materia e la sua
riemissione come radiazione visibile o vicina al
visibile
Risposta lineare rispetto allenergia depositata.
Buon rivelatore!
Alta efficienza conversione energia in radiazione
Trasparenza rispetto alla radiazione di
fluorescenza
Spettro di emissione coerente con il range di
risposta del fotomoltiplicatore
Tempi di decadimento costanti

• Vetro a piombo
• Tempi di risposta dellordine di 50 ns (tra
  rivelatori plastici e cristalli inorganici)
• Emissione luce 25 antracene (240eV/fotone)

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Fotomoltiplicatore
Il fotomoltiplicatore trasforma i fotoni in un
segnale elettrico sfruttando leffetto
fotoelettrico
È costituito da un catodo fatto di materiale
fotosensibile, seguito da un sistema di
focalizzazione e una catena moltiplicatrice,
costituita da vari dinodi e da un anodo dal quale
si estrae il segnale finale
Il fotomoltiplicatore è uno strumento lineare ed
il segnale in uscita dallanodo è una corrente
proporzionale ai fotoni raccolti nellunità di
tempo. Per lesperienza abbiamo utilizzato un
fotomoltiplicatore Cern/Type 4238 alimentato a
700 V
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LINAC
Il LINAC è un acceleratore lineare che sfrutta le
cavità a radio frequenza per accelerare le
particelle
Il LINAC di DAFNE ha una lunghezza di 60m. La
frequenza del generatore è di 2856 MHz
Energia max e- in uscita 800 MeV
Corrente in uscita 150 mA
Essendoci n tubi lenergia cinetica risulterà
Accelerazione nel passaggio tra un tubo e laltro
EeV
EneV
Produzione di pacchetti di particelle
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BTF layout
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Attenuazione del fascio del LINAC
detector
N. of particles
tunable W target 1.7, 2.0, 2.3 X0
W slits
Selected energy (MeV)
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Laboratorio BTF
Energy Range 25-750 MeV e-/e
Max. Repetition Rate 50 Hz
Pulse Duration 1-10 ns
Current/Pulse 1 to 1010 particles
Allowed Current 103 particles/second
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Elettronica di acquisizione
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CARATTERISTICHE CALORIMETRO
Linearità
Numero di particelle prodotte nella cascata
Energia elettrone incidente
Fotoni prodotti per scintillazione
?
?
Il fotomoltiplicatore è uno strumento lineare,
fornisce un segnale elettrico proporzionale agli
elettroni prodotti dal fotocatodo
La risposta del calorimetro è proporzionale
allenergia dellelettrone incidente
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Non avendo la possibilità di estendere a
molti ordini di grandezza lenergia del nostro
fascio, applichiamo lidea secondo cui due
elettroni siano assimilabili ad un unico
elettrone con energia doppia, e così via. Questa
ipotesi è in accordo con la linearità tra numero
di particelle prodotte nella cascata e lenergia
della radiazione incidente, però non tiene conto
che lo sviluppo della cascata in presenza di una
particella ad energia doppia è più penetrante.
e-
e-
e-


1000 MeV
500 MeV
500 MeV
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Risoluzione
Definiamo la risoluzione come
Diversi termini da determinare
3 termine dovuto ad errori di calibrazione
1 termine dovuto alle fluttuazioni statistiche
di un processo che è convoluzione di processi
poissoniani
2 termine dovuto al rumore prodotto dalla
strumentazione e indipendente dallenergia
incidente
Per il nostro esperimento assumiamo che la
risoluzione sia data solo dal primo ed ultimo
termine
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Acquisizione dati
Misura dellerrore sistematico dovuto al rumore
integrato dall ADC di carica piedistallo
Esist 632 counts
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Acquisizione dati
Misure su fascio Energia singolo elettrone 405 MeV
Spettro dei conteggi dellADC di carica. Il primo
picco corrisponde con il piedistallo.
Il secondo picco corrisponde con la misura di un
singolo elettrone, il terzo con la misura di due
elettroni e così via
Il valore medio di elettroni incidenti sul
calorimetro è 6
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Acquisizione dati
Analisi dei singoli picchi
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Acquisizione dati
Dati ottenuti
Numero e- Energia Nota MeV DE MeV ADC Counts Emis s Ds Risoluzione Errore sulla risoluzione
1 405 4 183 20 1 0,081 0,005
2 810 8 376 31 1 0,068 0,003
3 1215 12 574 39 1 0,063 0,002
4 1620 16 785 54 2 0,059 0,002
5 2025 20 991 55 2 0,052 0,002
6 2430 25 1207 73 2 0,055 0,002
7 2840 30 1410 78 3 0,054 0,002
8 3240 30 162 79 4 0,048 0,002
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Linearità
Dal grafico otteniamo
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Risoluzione
Il fit viene eseguito utilizzando la funzione
Stimiamo il contributo costante
ed il contributo della fluttuazione statistica
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CONCLUSIONI

• Verifica analisi teorica sulla linearità del
  processo di sviluppo della cascata
• Verificata la relazione di linearità tra la
  misura e lenergia del pacchetto di elettroni
• Risoluzione poco maggiore del 9 con fit
  discreto dei dati sperimentali
• Possibili errori di misura possono derivare dal
  metodo usato (convoluzione delle gaussiane con
  la poissoniana) e al non totale contenimento
  trasverso dello sciame elettromagnetico