View
225
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Kalorimeter, Strahlungs– undWechselwirkungslangen
Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers als Abfolge
von Bremsstrahlungs– und Paarbildungsprozessen:
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
e (E )o
Elekromagnetische Strahlungslangen x0 und hadronische Wech-
selwirkungslangen λ:
Material Z A ρ[g/cm3] x0[cm] λ[cm]
Al 13 27.0 2.70 8.90 39.41
Fe 26 55.8 7.87 1.76 16.76
Cu 29 63.5 8.96 1.43 15.06
Pb 82 207.2 11.35 0.56 17.09
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 62
Homogene EM Kalorimeter
Longitudinalverteilung der Energiedeposition in einem elektromagnetischen
Schauer fur zwei Primarenergien von Elektronen:
/X0z
/r RM
Transversalverteilung der Energie in einem elektromagnetischen Schauer,
gemessen in unterschiedlichen Tiefen:
/r RM
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 63
Homogene EM Kalorimeter: Auflosung
Gemessene Beitrage unterschiedlicher Effekte auf die Energieauflosung eines
homogenen elektromagnetischen Kalorimeters (EGS: Schauerfluktuation):
+
30 40 E [MeV]20
0.04
0.08
0.12
EGSLichtsammlungPhotostatistik
Binning Effekt
Eσ
Das relative Auflosungsvermogen als Funktion des prozentualen Leckverlustes
f :
Elektronen 15 GeV
transversal
longitudinal
σE
0.1
0.05
f0.20.10
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 64
EM Sampling–KalorimeterAnteil der Energie, die in einem EM Schauer von einem Teilchen der Energie
E deponiert wird:
0.4
0.6
0.2
10 30 50 70 90Z abs
Pb
238UAlFe
Bru
chte
il d
er I
onis
atio
nsen
ergi
e
Ee− > 20.5 MeV
Sn
)+−E (e
−+E (e ) < 1.5 MeV
4.5 MeV<
Gemessene Energieauflosung eines Sampling–Kalorimeters fur verschiedene
Dicken des Blei–Absorbers:
D [mm]
Photoelektron−Statistik + Leakage
Sampling Fluktuationen
GeV..
Kanale
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 65
Bespiele Sampling–Kalorimeter 1
Auslese eines Sandwitch–Kalorimeters mit Wellenlangenwanderln:
BBQ
360 nm
420nm
480 nm
SzintillatorAl−FolieBlei
Wellenlangenwandler..
Al−Folie
PBO
POPOP
Auslese eines Flussig–Argon (LAr)–Kalorimeters:
VerstarkerLadungsempfindlicher
Absorber(leitend)
+Hochspannung
..flussiges Argon
..
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 66
Bespiele Sampling–Kalorimeter 2Querschnitt durch ein Spaghetti–Kalorimeter (a), Blei–Ebenen (Konverter)
und szintillierenden Fasern, Seitenansicht (b) eines SpaCal–Blocks, Auslese
durch PM (rechts):
VerstarkerLadungsempfindlicher
Absorber(leitend)
+Hochspannung
..flussiges Argon
..
���
� �
Schema der Lichtauslese eines “Scintillating Tile Calorimeters”:
WLS − Fiber
Szintillator−Ziegel Kleber
WLS − Fiber
PM
Szintillator−Ziegel
43 mm(SCSN38 h = 10 mm)
(BCF−91 d = 2 mm)
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 67
Bespiele Sampling–Kalorimeter 3,Ortsauflossung
Schema eines Shashlik–Kalorimeter (Entwicklung bei HERA–B,
DESY):
AuslesePM
platten
Wolfram−Platten
WLS−Fiber
Szintillator−
Gemessene Ortsauflosung eines Sampling–Kalorimeters:
D [mm]
Photoelektron−Statistik + Leakage
Sampling Fluktuationen
GeV..
Kanale
σO
rt
E [MeV]
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 68
Hadronische Kalorimeter
Materialien fur Konverter (Sz, LAr) und Absorber (Fe, PB, U)
Material Sz LAr Fe Pb U
X0 [cm] 42.2 14.0 1.78 0.56 0.32RM [cm] 10.4 13.7 1.8 1.6 1.0
λint[cm] 79.4 83.7 17.1 17.01 10.5
Kompensationskalorimetie: Zahlenwerte aus Simulationsrechungen fur einProton mit Ep = 5 GeV :
Uran Eisen
fion 57% 38%davon Spallationsprodukte 42% 27%
fγ 3% 2%fn 8% 15%fB 32% 45%
100% 100%
Verhaltnisse der Energien im Samplingkalorimetern, dabs Dicke des Absor-bers, dcon Dicke des Konverters
Fe/Sz Fe/Ar U/Sz U/Ar Abhangigkeitionmip 0.83 0.88 0.93 1 dabsnmip 0.5 . . . 2 0 0.8 . . . 2.5 0 dabs/dconγmip 0.7 0.95 0.4 0.4 dconemip 0.9 0.95 0.55 0.55 dcon
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 69
Anforderungen an hadronische Kalorimeter
Auflosungsvermogen (a), Liearitat (b) und Pulshohenverteilung
(c) hadronischer Kalorimeter. Nachtragliche Gewichtung
(e/h ≈ 1) reprasentieren kompensierende Kalorimeter:
[GeV]
CDHS (Fe / Szint.)1981
1987
1987
(U /(UWA 78
HELIOS Szint.)
/
CDHS
Szint.)
(nach Gewichtung)
75 GeV
e / h = 0.8
30 GeV π
π
.
.
.
E
.
.
−1/
2[G
eV
.
.
.
.
.
.
.
.
.
GeV
Sig
nal
.
.
E/σ
]
/
Energieauflosung
CDHS(nach Gewichtung)
(Fe /
(238
Szint.)
CDHS
E
e / h = 1.05
HELIOS
WA 78
Szint.)/USzint.)/U(238
Eπ [GeV]
..
Pulshohenverteilung..
e / h = 1.4
140 GeV π
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 70
Auflosungsvermogen hadronischer Kalorimeter
Gemessenes Verhaltnis der Signale von Elektronen und Hadronen als Funk-
tion der Primarenergie:
1.0
0.6
0.8
0.1 10.05.01.00.5
h [GeV]
/ mipe
e
e
e
+/+/−/ −
p
ππ+
eh
|
E
Auflosungsvermogen eines elektromanetischen bzw. hadronischen Sampling-
kalorimeters (U–Argon) als Funktion der Primarenergie:
Fe / LAr
238 U / LAr..
AuflosungSampling−Fluktuation
1
0.5
0.1
0 5 10
σ|
E
Nachweisbare Energie [GeV]
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 71
Grundlagen der Kompensationskalorimetrie
Pulshohe/Energie fur Hadronen mit unterschiedlichem eh–Verhaltnis (a) und
mit relativer Auflossung (b) und Korellation zwischen Bindungsenergie und
Energie von Neutronen, die durch die Reaktion freigesetz werden(c):
1.2
1.4
1.0
0.8
1 10 100 1000
2.0
E h [GeV]
Sig
nal
Had
ron
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
he/ intrinsisch
e/h =1.00
0.20
0.10
03 5 10 20 50 200
[GeV]πE
E
|σ
mit
n20
MeV
Ene
rgie
von
nE
<
800
400
400
200
0
0
0 1 3
Spallations− n
Verdampfungs− n
[GeV]Bindungsenergieverluste
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 72
Software–Wichtung des hadronischenKalorimeters
Gemessene Pulshohenverteilung von Elektronen und Pionen in einem nicht
kompensierenden Kalorimeter, vor und nach der Wichtung:
400
600
200
0
50 GeV Strahl
Keine Gewichtung
Ere
igni
sse
/ GeV
1000 20 60E [GeV]
600
400
200
00 20 60 100
Gewichtung
50 GeV Strahl
Ere
igni
sse
/ GeV
E [GeV]
Pulshohen in einzelnen Zellen eines LAr–Kalorimeters fur verschieden
Primarenergien, vor (a) und nach der Wichtung (b):
400
600
200
0
50 GeV Strahl
Keine Gewichtung
Ere
igni
sse
/ GeV
1000 20 60E [GeV]
600
400
200
00 20 60 100
Gewichtung
50 GeV Strahl
Ere
igni
sse
/ GeV
E [GeV]
���E max (had) [GeV]
E[G
eV]
cal
0 20 60 100
100
0
200
300
E = 170 GeVπ
E = 50 GeV
E = 30 GeVππ
E = 230 GeVπ
Pionen (keine Gewichtung)
� �E max (had) [GeV]
[GeV
]E
cal
020 60 1000
Pionen (gewichtet)
E = 170 GeV
E = 230 GeV
E = 50 GeV
E = 30 GeV
π
π
ππ
300
200
100
σ|
E
πE [GeV]
0.1
0.05
00 50 150 250
Keine GewichtungGewichtetSampling Beitrag
Gewichtung (II)
Pionen
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 73
Auflosungsvermogen bei Kompensation (had)
Auflosungvermogen eines nichtkompensierenden LAr–Kalorimeters:
σ|
E
πE [GeV]
0.1
0.05
00 50 150 250
Keine GewichtungGewichtetSampling Beitrag
Gewichtung (II)
Pionen
Pulshohenrelation pmip als Funktion der Dicke des Mediums:
[mm]absd
1.1
0.9
1.0
0.8
0 5 10 15 20 25
Spa
llatio
ns p
/ m
ip
U−Platten (2.5 mm PMMA)
PMMA−Platten (3.0 mm U)
4 GeV pU / PMMA
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 74
Kompensation durch Neutronnachweis
Verhaltnis nmip als Funktion des Verhaltnisses Rd =
dabsdact
:
Rd
..
EinfangγSpalt
γInelastischepβRucksto
γGesamtn−Signal
U / PMMA
Sig
nal
n / S
igna
l m
ip
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 75
Elektromagnetische Kompensation
Zeitliche Breite des Signals unterschiedlicher Primarteilchen in einem Kalo-
rimeter:
Zah
l e−
/ 0.1
ns
Zah
lπ−
/ GeV
500
300
100
018 22 26
e− 80 GeV
π
14
60
80
40
FWHM [ns]
Pulshohe fur monoenergetische Elektronen als Funktion der Dicke des Ab-
sorbers fur ein Blei–Szintillator Kalorimeter:
KanaleGeV
..
150
50151050
abs [mm]d
Detektoren in der Elementarteilchenphysik 76
Recommended