Transcript Eichung von Kalorimetern / Extraktion der physikalischen Größen

Seminar „Kalorimeter für
elektromagnetische Strahlung“
- Eichung von Kalorimetern (nur homogene)
- Monitoring
- Extraktion der physikalischen Größen
Seminar: Kalorimeter für em
Strahlung -- Daniel Buschert
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Gliederung
• 1. Eichung und Optimierung der Auflösung
- Energieeichung
- Beispiele
- Ortsbestimmung
• 2. Monitoring
- Lichtpulser
• 3. Extraktion physikalischer Größen
- Invariante Masse
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1. Eichung
• Kalorimeter enthalten teilweise mehrere tausend Zähler.
BABAR besteht aus
6580 CsI(Tl) Kristallen.
- 48 Ringe mit jeweils
120 Kristalle
- 8 Endkappenringe mit
max. 120 Kristalle
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- Analoge Ausgangs-Impulshöhen müssen in digitale Informationen
umgewandelt und abgespeichert werden.
- Die Eichung (Kalibration) und Überwachung einer so großen
Anzahl von Kanälen erfordert einigen experimentellen Aufwand.
Dabei müssen auch die einzelnen Komponenten aufeinander
abgestimmt werden.
Auf den ersten Blick scheint die Kalibration recht simpel und
trivial zu sein.
Dem ist wirklich nicht so!
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Kalorimeter sollen die Energie von absorbierten Teilchen bestimmen:
- Einlaufende Teilchen haben eine Energie im Bereich bis zu GeV!
- Es werden aber nur Ladungen in der Größenordnung von
Piko-Coulomb erzeugt.
Beispiel:
Das einlaufende Teilchen erzeugt im Szintillator Photonen, die über
den Wellenleiter zum Photomultiplier gelangen und dort dann in
elektrische Signale umgewandelt werden.
Andere Auslesemethode: Photodioden, ...
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Eichung Einzelkristall
•
Gewünscht wäre bei den
Szintillatoren eine lineare
Beziehung zw. der Energie
des einlaufenden Teilchens
und der erzeugten Spannung
im Detektorkristall.
•
6,1 MeV
Aber in der Realität ist es
nicht so gegeben.
min. ionis. Teilchen
Aus diesem Grund müssen
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3
U EK   0  1E   2 E   3 E  ...
die Kalibrierungskonstanten
bestimmt werden, damit man
den Zusammenhang
i  Kalibr.konst.
herstellen kann.
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
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Hierbei müssen die einzelnen Komponenten eines
einzelnen Kristalls, bestehend aus einem Szintillator,
Photomultiplier und ADC so einjustiert werden,
daß die einlaufenden Teilchen ein brauchbares
Signal erzeugen, damit sie später weiterverarbeitet
werden können. Die Datenauswertung findet hinterher
meistens über eine Computer-Software statt. Häufig
wird Origin oder PAW benutzt.
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Um präzise Informationen über die im Kalorimeter deponierte Energie
zu erhalten, ist eine Kalibration der gesamten Auslesekette über den
gesamten Energiebereich unumgänglich.
Für jeden Kristall muß das Verhältnis zwischen der deponierten
Energie und der detektierten Pulshöhe ermittelt werden.
Dabei spielen folgende Eigenschaften eine Rolle:
- Die Lichtausbeute der Szintillation
- Das Uniformitätsprofil eines Kristalls
- Die Effizienz der Photodetektoren
- Die Kennlinie der gesamten Elektronik-Kette
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Inter-Kalibration
Detektor
Absorber
Ein einlaufendes Teilchen erzeugt nicht nur ein Signal in einem
Detektor, sondern es sprechen immer mehrere Detektoren fast
gleichzeitig an.
Zu einem E gehören immer U EK der einzelnen Detektoren.
N
E   i  kU k
i 1
k
N = Zahl der Detektoren pro
Schauer
Es muß eine Inter-Kalibration
i durchgeführt werden.
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Welche Möglichkeiten der Eichung gibt es?
I. Bestimmung von  k
Die Kalibrierungskonstanten können experimentell bestimmt werden,
indem man bekannte Energien oder Teilchen in eines der Segmente
schießt, von denen man weiß, wie viel Energie sie dort deponieren.
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- Gamma – Strahler mit bekannter Energie
- Teststrahlen aus Monoenergetischen Elektronen oder Pionen
- Lichtpulser
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Gamma-Quelle
Zur absoluten Energie-Eichung ist ein Punkt < 10 MeV
notwendig. Aus diesem Grund werden häufig Gamma –
Quellen eingesetzt. Diese Quellen gibt es bis zu einer maximalen
Energie von 6,1 MeV.
Pu C - Quelle:
13
16


C  , n O
13
aus Pu
6.1 MeV
Diese Quellen werden direkt vor den Kristallen positioniert und
anschließend wird ein „Kalibrations Run“ durchgeführt, wobei
für jeden Kristall ein Punkt auf der Kal.-Fkt. bestimmt wird.
Diese Quelle wird dann im Nachhinein wieder entfernt:
- Um keinen zusätzlichen Untergrund zu erzeugen
- Minimierung der Strahlenbelastung bei Wartungsarbeiten
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Andere Möglichkeit:
Bei BaBar wurde aus Platzgründen eine andere Gamma Quelle verwendet:
Hier wurde das Prinzip der flüssigen Quelle mit 19 F benutzt:
- Dabei wird eine Flüssigkeit, die radioaktiv angeregt wurde, durch ein
filigranes Röhrensystem gepumpt, welches direkt vor der Frontseite
der Kristalle entlangläuft.
Die Flüssigkeit wird mit einem Neutronengenerator angeregt:
19
F  n16N  
Halbwertszeit: 7s
Durch einen  Zerfall erhält man ein

O
16 *
Beim Übergang in den Grundzustand erhält man wieder ein
Photon mit der Energie von 6,130 MeV.
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Wenn man Gammas braucht, die eine noch höhere Energie als
6 MeV haben müssen, gibt es noch andere Möglichkeiten:
- Benutzung von monoenergetischen Elektronen aus Beschleunigern
(  und e  gleicher Energie erzeugen ähnliche Schauer)
0
0

(

 , zu fast 100%)
- Gammas aus
Zerfällen:
- Gammas als Bremsstrahlungsquanten
e e
 
 e e  
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
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Beispiele für Kalibrierungen:
1. Quellen-Kalibrierung
PbWO4 
- Kalorimeter
Zur Kalibration wurde eine
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Cs - Quelle benutzt:
Energieauflsg.
Diese emittiert Photonen mit
eine Energien von 662 keV.
Energieauflösungen:
- FWHM

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2. Kalibrierung mit geladen Teilchen (Protonen)
Bei dieser Kalibration
wurden minimalionisierende Protonen (MiP)
benutzt. (Cosy, Jülich) In
einem PbWO4  - Detektor
werden Protonen ab
einem Impuls von
1 GeV/c zu MiPs.
MiPs haben einen festen
Energieverlust pro Wegstrecke von 13 MeV/cm.
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3. Kalibrierung mit Elektronen
Hierbei werden
Elektronen mit
bekannter Energie
in den Detektor
geschossen und
anschließend wird
ein Kalibrations Run
durchgeführt, um
zu erfahren wie
die Detektoren
ansprechen.
(Mami B)
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4. Kalibration mit kosmischer Strahlung
Bei kosmischer
Strahlung, die die
untere Atmosphäre
(Höhe < 5 km) erreicht, handelt es
sich hauptsächlich
um Myonen. Die
mittlere Energie
beträgt 4 GeV
Kosmische Myonen können wieder als MiPs betrachtet werden,
d. h. die im Kristall deponierte Energie ist der Länge der Wegstrecke
des Teilchens proportional.
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II. Inter-Kalibration, Bestimmung von i
Verschiedene Möglichkeiten:
- Eichung mit hochenergetischen Strahl
- Eichung mit Daten (Beispiel:  0   ) (siehe später)
Bei einem Ereignis sprechen
i. A. mehrere Detektoren
gleichzeitig an, die Energie
des Teilchens kann umso
besser bestimmt werden, je
mehr Kristalle ansprechen.
- Peak wird immer schmaler
- verschiebt sich zu höheren
Energien
CeF3 
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Hier kann man auch
wieder sehen, daß je
mehr Detektoren zur
Bestimmung eingesetzt
werden, desto besser ist
die Messung der
deponierten Energie.
PbWO4 
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Bestimmung der Orts-Auflösung
Zur vollständigen Charakterisierung des Photons durch den ViererImpuls benötigt man neben der Energie- noch die Ortsinformationen.
Man ordnet dem Detektor mit der höchsten Energie den Auftreffort
zu, um den sich ein radialsymmetrischer Schauer ausbreiten wird.
Man kann aus den Energien der benachbarten Detektoren den Schauerschwerpunkt nach folgenden Formeln verbessern.
Ex

x
E
xi , yi Ortskoordinaten
i i
Ei Energiedeposition
i
Ey

y
E
i
i
i
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y
x
Die Ortsrekonstruktion
erbringt eine gute Übereinstimmung mit der
erwarteten Strahlfleckgröße.
Die Position eines Gammas
kann auf diese Art sehr gut
reproduziert werden.
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Bei einer höheren Einschußenergie wird die Ortsauflösung besser.
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2. Monitoring
Lichtpulser
Wenn die Kalibration erfolgreich durchgeführt
worden ist, muß man hinterher immer wieder
kontrollieren, ob die Kalibration noch in Ordnung
ist, da kleinste Veränderungen große Auswirkungen
haben können. Außerdem kann man hiermit auch
überwachen ob die Detektoren und die Elektronik in
Ordnung ist oder ob einzelne Komponenten
ausgetauscht werden müssen, da sie beschädigt sind.
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Lichtpulser können auch dafür benutzt werden, um neue
Kalibrierungskonstanten zu bestimmen ohne die aktuellen Messungen
abbrechen zu müssen, da z. B. bei großen Beschleunigern viele
Detektoren gleichzeitig in betrieb sind und man nicht die kompletten
Messungen abbrechen kann, weil nur ein Detektor ein kleines Problem
hat.
Lichtpulse werden über einen Lichtwellenleiter in den Detektor
gelenkt.
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Lichtwellenleiter: Lichttransport durch totale, innere Reflektion
Stufenprofil:
n1 und n2 Brechungszahlen der Materialien
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•  maximaler Akzeptanzwinkel (ergibt sich aus  )
• n1, n2 Brechungszahlen der Materialien
•  Winkel der Totalreflexion
Mit den Werten
Winkel von:
n1 =1,59 und n2 =1,49 erhalten wir für  einen
n2
  arcsin
 69,6
n1
Totalreflexion für einen Winkel
größer als 69,6°!
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3. Extraktion physikalischer Größen
Beispiel:
Invariante Masse
Am häufigsten in einem Histogramm eines elektromagnetischen
Kalorimeters ist ein Peak bei 135 MeV . Dieser Peak kommt von
der Reaktion  0  
Dieser Peak kann im Nachhinein noch benutzt werden, um eine InterKalibration durchzuführen. Der Vorteil hiervon ist, daß keine extra
Strahlzeit von Nöten ist. ( i - Bestimmung)
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Spektrum mit dem Peak bei 135 MeV!
Da man die genaue Energie
des Peaks kennt, ist es hinterher
möglich eine Inter-Kalibration
durchzuführen, in dem man
die Kalibrationskonst. i so
variiert bis der Peak von der
Breite her ein Minimum einnimmt.
Hierfür braucht man eine sehr
hohe Rechnleistung. Invertierung
einer N x N Matrix!
(N = Zahl aller Kristalle)
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Zusammenfassung
Eichung:
- Unterscheidung zwischen Einzelkristall und Inter-Kalibration
- Eichung mit
- Gammas
- monoenergetische Strahlen
- kosmischer Strahlung
- Lichtpulser
- Daten
Überwachung:
- Lichtpulser
Extraktion physikalischer Größen
- invariante Masse
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Literatur
- Doktorarbeit von Bernd Lewandowski
- Diplomarbeit von Matthias Hoek
- Diplomarbeit von Katja Ellen Römer
- Diplomarbeit von Kai Ingo Mengel
- HFT – Script von Prof. Dr.-Ing. H. Ermert
- Google: Stichpunkte: Kalorimeter, Eichung, Kalibration, ...
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