45
Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th , 2010  1/34                          Motivation        Characterization                  In-beam tests              Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams Santiago de Compostela                                                    10th. December, 2010  Martín Gascón                                               

Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   1/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Santiago de Compostela                                                    10th. December, 2010

 Martín Gascón                                     

         

Page 2: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   2/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

MotivationMotivationFAIR, R3B, CALIFA, ProtoZero (CALIFA's prototype)

Characterization of CsI(Tl) crystals and photosensorsCharacterization of CsI(Tl) crystals and photosensorsPhotosensors

Bench­tests on small and prototype crystals

In­beam tests of the prototype In­beam tests of the prototype and prototype simulationsand prototype simulationsResults of the proton beam test 

Results of the gamma beam tests

ConclusionsConclusions

Page 3: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   3/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

FAIR: Facility for Antiproton Ion Research

New accelerator facility in Darmstadt (Germany)Antiprotons, stable and radioactive­ion beams Primary intensity: (1012 ions/s)@ 2­30 GeV/u

Nuclear structure and Astrophysics with exotic nucleiAntiproton PhysicsRelativistic heavy ions collisionsAtomic and Plasma Physics

MotivationFAIR                 R3B               CALIFA             ProtoZeroFAIR

Scientific Program

FAIR

Page 4: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   4/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

R3B: Reactions with Relativistic Radioactive Beams

  Calorimeter / gamma spectrometer   Silicon arrays around target for recoils  Large acceptance superconducting dipole    High resolution neutron detectors  ToF wall for charged­particle id.  High resolution magnetic spectrometer

MotivationFAIR                 R3B               CALIFA             ProtoZeroR3B

 R3B experimental subjects

Detectors

Challenging research program including QFS, knockout,  fragmentation,  fission, ...

  Nuclear structure far from stability  Reactions of astrophysical interest  Study of the EOS of asymmetric matter

Page 5: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   5/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

 CALIFA requirements (R3B LoI, 2005) : 

CALIFA: CALorimeter for In­Flight emitted gAmmas 

MotivationFAIR                 R3B               CALIFA            ProtoZeroCALIFA

Gamma sum energy

Gamma multiplicity

Gamma energy resolution

Calorimeter for high energy light charged particles Up to   MeV in Lab system300

Good light­charged particles energy resolution

(Esum)/<Esum> < 10%

(N)/<N> < 10 %

< 5 % E/E (gammas at 1 MeV)

Total absortion efficiency 80 % (up to ESRF = 5 MeV)

< 1%  p/Ep (protons at 300 MeV)

H. Álvarez-Pol et al. Nucl. Inst. and Meth. B 266 (2008) 4616-4620

  To fulfill all these requirements is a challenge that gives CALIFA its unique characteristics.  This challenge is even greater if we take into account 

the constraints imposed by experiments with relativistic ions in inverse kinematics.

Page 6: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   6/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

CALIFA: Geometry

Motivation

  Gammas emitted by moving sources at relativistic energies suffer the relativistic Doppler Effect.  Calculation of their energy in the Source Reference Frame (SRF) requires an 

accurate measurement of both the Lab energy (LRF) and the emission polar angle. 

A limited polar angle resolution would contribute to the uncertainty of the gamma energy in SRF

Doppler Effect Constraint

Doppler factor as a function of the polar 

angle.

Angular distribution of gammas in the LRF

Detector design

 The optimal polar angle granularity to guarantee the required energy resolution should be determined   Total­absorption efficiency requirement is determined by the 

length of the scintillating material and dead volume (empty space and material as wrapping and support structures)    

FAIR                 R3B               CALIFA            ProtoZeroCALIFA

Page 7: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   7/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

What scintillating material ?

Motivation

               CsI(Tl) emission spectrumCsI(Tl) 

 Advantageswell known propertiesrelatively high density high light yield cheap to make, easy to handleslightly hygroscopicgood energy resolution with APDs

InconvenientLong scintillating decay time

NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) BGO LYSO PWO CsI (pure)

5.29 3.86 3.67 4.51 4.51 7.13 7.1 8.29 4.5163000 49000 39000 60000 45000 9000 32000 100 16800< 3% 3.5% 7% 6% 7.5% 10% 7.1% >10% 7.5%N/A N/A 3.8% 4.9% N/A 8.3% N/A N/A 4.3%

380350 310 fast

550 420 480 420 420 315430 415

25 25/213 620 fast 1000 630 300 41 6 35/6Hygroscopic yes yes yes slightly yes no no no slightlyCost (per cm3) $30 $30 $2 $5 $5 $9 N/A $2 $5

LaBr3 LaCl3

Density (g/cm3)

Light Yield (ph/MeV)E/E 662 keV (PMT)

E/E 662 keV (APD)

Peak(nm)

Fast Decay (ns)

FAIR                 R3B               CALIFA            ProtoZeroCALIFA

              APD quantum efficiency

Page 8: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   8/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

CsI: what length?

Three different crystal sets were evaluated in simulations for the CALIFA calorimeter

 Barrel specifications short:       9­ 12 cm medium: 11­15 cm large:      14­18 cm

Motivation

Conclusions  The geometrical efficiency was higher than 80% for large and medium specifications  The full­energy peak efficiency decreased from 70% (0.5 MeV) to 50 % (10 MeV)  Crystal Multiplicity goes from 2 crystals (0.5 MeV) to 7 (10 MeV) for the whole calorimeter. It can 

reach 9 crystals in the Endcap, and it is limited to 4 crystals in the Barrel due to the Lorentz Boost  Energy resolution contribution due to polar angle uncertainty is below 3%

Geometrical efficiency Several observables were studied to define the crystal geometry

FAIR                 R3B               CALIFA            ProtoZeroCALIFA

Page 9: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   9/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

ProtoZero: Design and construction

Crystal sample corresponding to ~ 90º polar angle           

APDs tested in this prototype       

 15/16 bi frustum­shaped CsI(Tl) crystals  ­       15/16 LAAPDs (7x14 mm       2, 10x10 mm    2 an 

d 10x10 2ch)    16 preamplifiers (Cremat, Mesytec) 

ProtoZero

MotivationFAIR                 R3B               CALIFA            ProtoZeroProtoZero

Page 10: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   10/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

MotivationFAIR, R3B, CALIFA, ProtoZero (CALIFA's prototype)

Characterization of CsI(Tl) crystals and photosensorsCharacterization of CsI(Tl) crystals and photosensorsPhotosensors

Bench­tests on small and prototype crystals

In­beam tests of the prototype and prototype simulationsResults of the proton beam test 

Results of the gamma beam tests

Characterization

Page 11: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   11/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with small samples: APDs vs. PMTs

CsI(Tl) + APD CsI(Tl) + PMT

    Crystal Length  cm1  cm5  cm10XP1901

PMT XP1918

XP3102

7.0±0.1 8.4±0.1 12.8±0.16.1±0.1 7.4±0.1 10.7±0.19.1±0.1 9.9±0.1 16.5±0.2

ER at 662 keV for a 1 cm3 CsI(Tl)  coupled to  a S8664­1010 APD and to a Photonis XP1918 PMT for 8 s shaping time.

Characterization

Shaping                 Crystal Length time 1 cm 5 cm 10 cm

4.68±0.12 5.11±0.12 4.74±0.124.42±0.12 4.87±0.09 4.72±0.08

4 s8 s

Energy resolutions in % (FWHM) (at 662 keV) obtained for different PMTs and different crystal 

lengths at 4 s shaping time

Best energy resolution values in % (FWHM) (at 662 keV), obtained for different crystal 

sizes using a Hamamatsu S8664­1010 APD.

M. Gascón et al., IEEE Trans. Nuc. Sci 55 (2008) 1259-1262

Page 12: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   12/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APD characterization

Procedure to compare different APD series and to disentangle the APD contribution to the energy resolution

Characterization

 The APD contribution to the energy resolution was found to be 0.12% for the 10x10 APD. These LAAPDs were proven to work properly in a wide dynamic range 

M. Gascón et al, IEEE Trans. Nuc. Sci 57 No. 3 (2010) 1465-1469

Page 13: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   13/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APD characterization

Procedure to compare different APD series and to disentangle the APD contribution to the energy resolution

APD #   A.A.  Cap. LPR 1 10x10 std 406 5.2% 202 10x10 std 404 5.4% 223 10x10 std 410 5.3% 84 10x10 std 411 5.5% 75 7x14 std 332 7.2% 236 7x14 std 322 8.1% 237 7x14 std 332 8.7% 328 7x14 std 333 9.2% 399 7x14 low 491 7.5% 2410 7x14 low 484 8.0% 3011 7x14 low 493 8.2% 3112 7x14 low 492 9.8% 32

Cap=Capacitance 

O.Vb ID(nA)

A.A.=active area (mm2)   

O.Vb = Optimal bias voltage (Volts)LPR = Light pulse resolution @ 5.105 e­h 

Characterization

   The best performance was found for the 10x10 Hamamatsu APDs 

Page 14: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   14/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APDs: Bias voltage and gain curves

Left: Energy resolution (Cs­137) vs. bias voltage for a 5 cm long crystals  coupled to Hamamatsu S8664­1010 APDs. Right: Typical gain curves of the S8664­1010 APD using  5 cm length CsI(Tl) crystals. 

Conclusions 

 Gain variation smaller than 1% can only be achieved with bias 

voltage variations below 350 mV 

Relative gain variation due to bias voltage variation at optimal bias voltage for  CsI(Tl) crystals coupled to S8664­1010 APDs

Characterization

Crystal length Gain variation (%/V)1 cm5 cm10 cm

2.84 ± 0.012.83 ± 0.012.83 ± 0.01

Page 15: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   15/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APDs: Temperature drifts

(dM/dT)M­1 = ­2.8 %/ºCcompares well with the ­2.5 %/ºC provided by Hamamatsu

Characterization

APD Gain Drift  at RT

Mean Peak position and Temperature vs. time.

Total and gain drift corrected spectra for a 137Cs radioactive 

source.

 A PT­1000 probe was placed near the APD to get the temperature information  The detectors  were cooled down using 

LN2 vapor and warmed up by a heater

Experimental setup

Page 16: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   16/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: crystal quality and optical coupling

 Photograph of raw crystal samples from five providers.   P1­P5:  Amcrys, Hilger Lanzhou, Saint Gobain, Scionix 

Characterization

Crystal quality

Optical coupling  For temporary bonds:  optical grease, and optical pads.     For permanent bonds:  Scionix RTV 681 optical cement  The result was found to be strongly dependent on details of the 

contact, such as the amount of optical grease used, homogeneity or the presence of air bubbles 

Optical cement and optical greases

  The crystal quality depends on a set of factors such as transparency, surface treatment, polishing, and cutting edges.   The samples with the best quality in the visual inspection did 

not necessarily provide the best values for energy resolution and light­output

Page 17: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   17/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: crystal wrapping

Averaged Light­pulse resolutions (FWHM) obtained using a LED with different 10x10 mm2 exit face crystals and different wrapping configurations, coupled to an XP5A08 PMT without optical grease. 1x,2x,3x,6x are the number of layers of 75 m Teflon tape

  The ideal wrapping has not only to reflect the incident light but also to break up internal reflections and preferentially direct reflected light towards the photosensor.  Best results for prototype crystals are 

generally achieved with 2 layers of ESR (2x 65 m thickness)

Characterization

Conclusions

Setup for determining the optimal wrapping configuration for prototype crystals.

 Wrapping configuration for prototype crystals

Wrapping L.P.R (%)

5.90

5.971x ESR + 1x TF 6.011x ESR + 2x TF 6.031x ESR + 3x TF 6.021x ESR + 6x TF 6.11

2x 65 m ESR

65 m ESR

Different wrapping materials: aluminized Mylar, ESR, LEF.

Page 18: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   18/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: Light Output

The largest Light Output was found for crystals with the largest exit face.

Conclusions 

Characterization

Energy resolution (FWHM) vs. photopeak channel for different samples, without optical grease between the crystal and the photomultiplier.

Setup used to compare the crystal light output 

Tested crystals with 10x10 and 7x14 mm2 exit faces

Page 19: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   19/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: Non­uniformity in light collection (N.U.)

Conclusions   Important differences in light­collection non­

uniformity for each crystal, even for two samples coming from the same provider  The E.R. can be bad for a good N.U. and vices 

versa because the E.R. is measured only at the crystal entrance face

N.U. and energy resolution E/E (662 keV) for some samples tested in this workP: Provider S: Sample (S1 or S2)

Characterization

Light collection non­uniformity determination for P1­S1 (best) and P5­S2 (worst) samples.

M. Gascón et al., IEEE Trans. Nuc. Sci 56 (2009) 962-967.

sample N.U. (%) E.R. (%)P1-S1 1.1 9.3P1-S2 4.5 6.4P2-S1 2.2 5.9P3-S2 2.3 6.6P4-S1 1.8 6.5P4-S2 4.3 7.3P5-S2 10.4 7.4

Setup used for  N.U. measurements

Page 20: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   20/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Study of the energy resolution

Comments

  Remarkably different performances were found among the measured samples, even for two samples coming from the same provider.  The best energy resolution values obtained  

were around 6% at 662 keV  (5% at 1 MeV) which are close to the CALIFA requirements

Top:  Experimental energy resolution as a function of the incident gamma energy.Bottom:Experimental spectra of the two detection systems P1­S1 (red curve), and P2­S1 (blue curve), in response to 662 keV ­rays. The energy resolution values obtained for the P2­S1 sample are significantly better than P1­S1

Characterization

Page 21: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   21/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

MotivationFAIR, R3B, CALIFA, ProtoZero (CALIFA's prototype)

Characterization of CsI(Tl) crystals and photosensorsPhotosensors

Bench­tests on small and prototype crystals

In­beam tests of the prototype and prototype simulationsIn­beam tests of the prototype and prototype simulationsResults of the proton beam test 

Results of the gamma beam tests

In­beam tests

Page 22: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   22/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

The Svedberg Laboratory (Uppsala, Sweden)

 10x20 mm2 exit face bi­frustum shaped CsI(Tl) crystals,  coupled to Hamamatsu 6867­10x20 APDs (2 channels)  preamplifiers: 4 ch. Cremat CR­110 mounted in a 

common card in our laboratory  crystal wrapping ESR (Enhanced Specular Reflector)     

130 m thick per crystal

  Proton beam energy 180 MeV   A 2 mm thick Double Sided Silicon Strip 

Detectors (DSSSDs)  consisting of 32x32 perpendicular strips  25 mm thick copper and iron degraders for 

calibration  (protons at 92.7 and 120 MeV)

ProtoZero Experiment

180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUDIn­beam tests

180 MeV proton beam at TSL                        

Page 23: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   23/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Energy spectra

Comments

 Energy resolutions are around 1%, which fulfills one of the main calorimeter requirements  This values seem easily 

achievable for protons at this energy.  Beam was impinging  in 

the boundary between crystals #1 and #3 To the left of the peaks,  

those events losing  a certain energy can be observed

Spectra of incident 180 MeV protons obtained for each crystal of this prototype configuration

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD180 MeV proton beam at TSL                        

Page 24: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   24/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Proton identification

 Comments

  Certain peak degradation   energy 

resolution ~3%

Events sharing the proton energy between crystals  #1 and #3 produce a peak which is more than 1 MeV below the main peak

      Conclusion

 Correlation between Crystals #1 and #3.          Addback between Crystals #1 and #3.

Left: Beam profile obtained with the DSSSDs, relative positions of all the detectors (#1 to #4), and selection of protons hitting A) the boundary between crystals B) region inside Crystal #3. Right: Spectra obtained for protons hitting in regions A, B and Total.

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD180 MeV proton beam at TSL                        

Page 25: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   25/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

R3BSim (GEANT4 and ROOT)

Wrapping

130 m  per crystal

(2 ESR layers)

Peak degradation can be reduced using thinner crystal wrappingsProtons at 90, 120, 180 and 220 MeV, hitting  close to the 

boundary between 2 crystals (case B) wrapped with ESR 130 m thick (2 layers)

In­beam tests

Conclusion

180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD180 MeV proton beam at TSL                        

The ProtoZero reconstructed energy spectrum for 180 MeV protons. The wrapping thicknesses ranges from 0 to 260 m.

Page 26: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   26/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Centro de Microanálisis de Materiales (CMAM)

 Protons 

Wrapping 5 MV Cockroft­Walton 

accelerator. Protons at 1 MeV The Teflon target (LiF) 

was 30 mm in diameter, 5 mm thick

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD6.1 MeV gamma beam at CMAM

O. Tengblad. GSI Meeting. April 2009

CMAM

 CsI(Tl) crystals + APDs (7x14, 10x10, 10x20) 4 ch. Cremat CR­110  Mesytec MSCF­16 amplifiers  DAQ Midas (IEM­CSIC)

ProtoZero

6.129 resonance1 5.618 single escape

5.1070.511

Ep (MeV) E  (MeV)

19Fdoble escape

19F(p,)16O

Page 27: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   27/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

 Protons 

Wrapping

 6.1 MeV gamma­rays produced at the target E.R = 2.8 % (FWHM) not so far 

from 2.2 % (simulation)

Energy resolution

In­beam tests

Energy reconstruction180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD6.1 MeV gamma beam at CMAM

Energy spectra of 6 crystals from this prototype configuration

Addback spectrum of 6 neighbor crystals

Page 28: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   28/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

 Protons 

Wrapping Energy range from 3 – 20 MeV 25 keV @ 10 MeV  energy resolution  photon flux is about 1000 ph/keV/s/cm2.  Radiator target: 10 microns Au foil  64 scintillation fibres: 1x1mm2

Photon Tagger

 2x  8 channels Mesytec preamplifiers (MSI­8) Mesytec MSCF­16 amplifiers  32 channel sensing ADC (CAEN V785) DAQ based on the MultiBranch System (MBS) A PT­1000 temperature probe for monitoring

ProtoZero

NEPTUN Facility@S­DALINAC  ­ TUD, Darmstadt, Germany

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 29: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   29/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Calibration

 Spectra obtained for a prototype configuration with 15 crystals using 137Cs and 60Co radioactive sources.

ProtoZero

Energy reconstruction

AddbackAddback energy spectrum for 60Co and 137Cs radioactive sources.

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 30: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   30/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

CalibrationWrapping

ProtoZero

Time Coincidences

   The photon tagger has 64 pairs of fibers.  Fibers give a signal after each electron hit.  These signals are in time coincidence with the master trigger (MA) given by any prototype crystal

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 31: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   31/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

CalibrationWrapping

ProtoZero

4­10 MeV energy spectra 

   The higher the tagged energy, the lower the statistic due to a lower gamma yield at the radiator

Energy spectra of the reconstructed gammas after selection of several fibers at different tagged energies

Peak (MeV)    E.R. (FWHM)      2.9........................ 4.9 %      4.0........................ 4.0 %      7.6........................ 3.4 %      8.6........................ 2.7 %      9.6........................ 2.6 %      10.3 ..................... 2.5 %

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 32: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   32/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Calibration

Wrapping

ProtoZero

Comparison with simulations

Comparison for 4 MeV tagged gammas

Left: frontal view in the R3BSim program of the beam profile, together with the entrance position in the prototype for 1000 emitted gammas (depicted in red dots).Right: Beam Profile as tested in the R3BSim program.

     Energy deposition  (%)                         Multiplicity distribution

EX

PER

IME

NTA

LSI

MU

LA

TE

DIn­beam tests

180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD

Mean Multiplicity  Experimental: 2.32  Simulation:     2.45 

4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 33: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   33/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Wrapping

Comparison with simulations

   Experimental and simulated observables as a function of the tagged gamma energies.Comparison between simulation and experiment, adding­back  the energy deposited in the15 crystals, for three different tagged gamma energies. 

In­beam tests180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD

                    energy resolution                               full energy peak efficiency                                    crystal multiplicity 

4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 34: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   34/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

The main parameters affecting the energy resolution have been systematically studied.

The 4.4% at 662 keV obtained with small samples coupled to 1 cm2 APD was better than those previously reported in literature.

The energy resolution for 13 cm crystals get worse since their light output is lower, however the values obtained for some of the APD-crystal assemblies were close to 5% @ 1 MeV, indicating that they are a suitable solution for the CALIFA Barrel.

Remarkably different performances were found among the measured samples, even for two samples coming from the same provider.

Prototype CsI(Tl) crystals + APDs were found to have a linear response for protons with energies between 90 and 180 MeV and for gammas between few keV and 10 MeV.

The obtained energy resolutions for protons fulfills the Calorimeter requirements.

The tests performed at TU Darmstadt showed the effectiveness of the addback procedure.

The simulation of these prototypes reproduced the experimental results with regard of the observables obtained in the CALIFA simulation and particularly in terms of energy deposition and crystal multiplicity distribution.

Conclusions

Page 35: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   35/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Thank you for your attention

 

Page 36: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   36/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Extra slides

 

Page 37: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   37/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: LAAPD readout

Config. 1: single power suply and preamp.

 Modest improvement in the energy resolution (from 6.7% to 6.5%)

E.R. depends on 

 Crystal quality Optical coupling Crystal wrapping Light output  Temperature drifts

 LAAPD readout Amplifier gain Shaping time Bias voltage Non­Uniformity

Config. 2: two power supply and 2 preamps.

Energy resolution as a function of the bias voltage. Config. 1 used a single power supply and a preamplifier; config. 2 used two independent voltage supplies and the currents were added in.

Conclusions 

Characterization

Page 38: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   38/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

CalibrationWrapping

 Spectra obtained for a prototype configuration with 15 crystals using Co­56 radioactive source.

ProtoZero

Addback spectrum for Co­56 radioactive source.

In­beam tests

Energy reconstruction180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD4­10 MeV gamma beam at TUD

Page 39: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   39/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Energy calibration

Correlation between neighbors  A gain relation between #1 and #2 and between #3 and #4 allows calibration

   The energy calibration was performed  with protons at 92, 120 and 180 MeV         ( 84, 117 and 173 MeV after DSSSD, Box)

Energy calibration

In­beam tests

Correlation spectra obtained for neighbor crystals

180 MeV proton beam at TSL                         6.1 MeV gamma beam at CMAM               4­10 MeV gamma beam at TUD180 MeV proton beam at TSL                        

Page 40: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   40/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Prototype crystals characterization

  In­beam test with 6.1 MeV gamma beam at CMAMCsI(Tl) crystals + APDs  have a linear response between 511 keV and 6.1 MeV,The reconstructed peak for 6.1 MeV gammas showed an E.R.=  2.8%, not so far from the 2.2% estimated by the simulation.  In­beam test with 4­10 MeV gamma beam at TUD DarmstadtThis test showed the effectiveness of the addback procedure in the range (0.5­10 MeV)The simulation reproduces the experimental results in terms of energy deposition and crystal multiplicity distribution

   In­beam tests with 180 MeV proton beam at TSL   CsI(Tl) crystals + APDs have a linear response  between 90 and 180 MeV   E.R.  = 1% (180 MeV) which fulfills Calorimeter requirements.   Peak degradation can be solved using thinner wrapping.

Prototype test beams

Conclusions

  Crystals with the largest exit face gave the largest light output.   Important differences between light­collection non­uniformity and energy resolution for each crystal, even for two samples from the same provider.  The individual readout system for each of the two channels improved energy resolution, at the expense of greater complexity in both the electronics and the data analysis.   The results obtained with some of the APD­crystal assemblies were close to 5% (FWHM) energy resolution for 1 MeV photons, indicating that they are a suitable solution for the CALIFA Barrel. 

Page 41: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   41/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Why CsI(Tl) + APD

Characterization

Estimated CsI(Tl) emission spectrum

CsI(Tl) 

 used in several experiments (Babar, Belle)  cheap to make, easy 

to handle,  slightly hygroscopic  High light yield 

(~60000 ph/MeV)   Good energy 

resolution  

  Spectral response extends into long wavelengths. Ideal for CsI(Tl) crystals  Higher quantum efficiency than 

PMTs Higher gain than PIN Diodes  Insensitive to magnetic fields 

APDs 

NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) BGO LYSO PWO CsI (pure)

5.29 3.86 3.67 4.51 4.51 7.13 7.1 8.29 4.5163000 49000 39000 60000 45000 9000 32000 100 16800< 3% 3.5% 7% 6% 7.5% 10% 7.1% >10% 7.5%N/A N/A 3.8% 4.9% N/A 8.3% N/A N/A 4.3%

380350 310 fast

550 420 480 420 420 315430 415

25 25/213 620 fast 1000 630 300 41 6 35/6yes yes yes slightly yes no no no slightly

Cost (per cm3) $30 $30 $2 $5 $5 $9 N/A $2 $5

LaBr3 LaBr3

Density (g/cm3)

Light Output (ph/MeV)E/E 662 keV (PMT)

E/E 662 keV (APD)

Peak(nm)

Fast Decay (ns)

Higroscopic

APD Quantum efficiency (%) 

Page 42: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   42/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: crystal wrapping

Averaged Light­pulse resolutions and energy resolution (FWHM) obtained using a LED with different 10x10 mm2 exit face crystals and different wrapping configurations, coupled to an XP5A08 PMT without optical grease. 1x,2x,3x,6x is the number of layers, and TF is Teflon tape

 For small samples:  four 75 m­thick layers of Teflon tape covered by a 5 m­thick layer of aluminized Mylar   Best results for prototype crystals are generally achieved with 2 layers of ESR

E.R. depends on 

 Crystal quality Optical coupling Crystal wrapping Light output  Temperature drifts

 Amplifier gain Shaping time Bias voltage Non­Uniformity

Characterization

Best wrappings for small and prototype crystals

Setup for determining the optimal wrapping configuration for prototype crystals.

 Wrapping configuration for prototype crystalsWrapping configuration for small crystals

Wrapping L.P.R (%) E.R. (%)2x ESR 5.90 15.441x ESR 5.97 15.80

1x ESR + 1x TF 6.01 16.281x ESR + 2x TF 6.03 15.721x ESR + 3x TF 6.02 15.581x ESR + 6x TF 6.11 16.60

Crystal wrapping E.R. (%)

Teflon + Aluminum foil 10.00 ± 0.098.68 ± 0.09

Teflon + Copper tape 8.41 ± 0.087.48 ± 0.08

Teflon tape (300 m) 25.95 ± 0.34

Teflon + Metalic adhesive tape

Teflon + Aluminized Mylar

Page 43: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   43/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

Test with prototype samples: Amplifier gain and shaping time

  The best results were generally achieved when the amplifier gain was set to cover the full dynamic range of the MCA  Shaping times between 4 and 8 s seemed to be a good compromise: they provided good energy resolution without incurring pile­up effects.

E.R. depends on 

 Crystal quality Optical coupling Crystal wrapping Light output  Temperature drifts

 Amplifier gain Shaping time Bias voltage Non­Uniformity

Left: Energy resolution vs. amplifier gain for 4 s shaping time.  Right: Energy resolution vs. shaping time for 1, 5 and 10 cm long crystals coupled to a S8664­1010 APD (4 s shaping time and 380 V bias voltage).

Conclusions 

Conclusions 

Characterization

Page 44: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   44/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APDs: Bias voltage and gain curves

Left: Energy resolution vs. bias voltage, keeping the photopeak at a constant channel, for a 5 cm (top) and 13 cm long crystals (bottom) coupled to LAAPDs. Right: Typical gain curves of the S8664­1010 APD (top) and S8664­1010  2 channel APD (bottom) using CsI(Tl) crystals. 

Conclusions 

  bias voltage variation below 0.35V can guarantee a gain variation smaller than 1%

Relative gain variation due to bias voltage variation for all crystals.

Characterization

Page 45: Prototype of a new calorimeter for the studies of nuclear reactions with relativistic radioactive beams

Martín Gascón                                                           Santiago de Compostela, December 10 th, 2010   45/34

                           Motivation        Characterization                  In­beam tests                

APD characterization

Procedure to compare different APD series and to disentangle the APD contribution to the energy resolution

APD #   A.A.  Cap. LPR 1 10x10 std 406 5.2% 202 10x10 std 404 5.4% 223 10x10 std 410 5.3% 84 10x10 std 411 5.5% 75 7x14 std 332 7.2% 236 7x14 std 322 8.1% 237 7x14 std 332 8.7% 328 7x14 std 333 9.2% 399 7x14 low 491 7.5% 2410 7x14 low 484 8.0% 3011 7x14 low 493 8.2% 3112 7x14 low 492 9.8% 32

Cap=Capacitance 

O.Vb ID(nA)

A.A.=active area (mm2)   

O.Vb = Optimal bias voltage (Volts)LPR = Light pulse resolution @ 5.105 e­h 

Characterization

Experimental setup for comparing different APD series

  The APD contribution to the energy resolution was found to be 0.12% for the 10x10 APD.

  The APD dark current can be obtained using a NHQ 225 ISEG power supply

   The 10x10 Hamamatsu APD showed the best performances.

APD characterization