Seminar „Kalorimeter für elektromagnetische Strahlung“

1. Seminar „Kalorimeter für elektromagnetische Strahlung“ - Eichung von Kalorimetern (nur homogene) - Monitoring - Extraktion der physikalischen Größen Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

2. Gliederung • 1. Eichung und Optimierung der Auflösung • Energieeichung • - Beispiele • - Ortsbestimmung • 2. Monitoring • Lichtpulser • 3. Extraktion physikalischer Größen - Invariante Masse Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

3. 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 Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

4. - 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! Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

5. 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, ... Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

6. Eichung Einzelkristall Gewünscht wäre bei den Szintillatoren eine lineare Beziehung zw. der Energie des einlaufenden Teilchens und der erzeugten Spannung im Detektorkristall. Aber in der Realität ist es nicht so gegeben. 6,1 MeV min. ionis. Teilchen Aus diesem Grund müssen die Kalibrierungskonstanten bestimmt werden, damit man den Zusammenhang herstellen kann. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

7. 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. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

8. 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 Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

9. Inter-Kalibration Absorber Detektor Ein einlaufendes Teilchen erzeugt nicht nur ein Signal in einem Detektor, sondern es sprechen immer mehrere Detektoren fast gleichzeitig an. Zu einem gehören immer der einzelnen Detektoren. N = Zahl der Detektoren pro Schauer Es muß eine Inter-Kalibration durchgeführt werden. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

10. Welche Möglichkeiten der Eichung gibt es? I. Bestimmung von 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 Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

11. 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. - Quelle: 6.1 MeV aus Pu 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 Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

12. Andere Möglichkeit: Bei BaBar wurde aus Platzgründen eine andere Gamma Quelle verwendet: • Hier wurde das Prinzip der flüssigen Quelle mit 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: Halbwertszeit: 7s Durch einen Zerfall erhält man ein Beim Übergang in den Grundzustand erhält man wieder ein Photon mit der Energie von 6,130 MeV. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

13. 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 gleicher Energie erzeugen ähnliche Schauer) • Gammas aus Zerfällen: , zu fast 100%) • Gammas als Bremsstrahlungsquanten Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

14. Beispiele für Kalibrierungen: 1. Quellen-Kalibrierung - Kalorimeter Zur Kalibration wurde eine - Quelle benutzt: Diese emittiert Photonen mit eine Energien von 662 keV. Energieauflsg. • Energieauflösungen: • FWHM Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

15. 2. Kalibrierung mit geladen Teilchen (Protonen) Bei dieser Kalibration wurden minimal- ionisierende Protonen (MiP) benutzt. (Cosy, Jülich) In einem - Detektor werden Protonen ab einem Impuls von 1 GeV/c zu MiPs. MiPs haben einen festen Energieverlust pro Weg- strecke von 13 MeV/cm. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

16. 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) Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

17. 4. Kalibration mit kosmischer Strahlung Bei kosmischer Strahlung, die die untere Atmosphäre (Höhe < 5 km) er- reicht, 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. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

18. II. Inter-Kalibration, Bestimmung von • Verschiedene Möglichkeiten: • Eichung mit hochenergetischen Strahl • Eichung mit Daten (Beispiel: ) (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 Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

19. Hier kann man auch wieder sehen, daß je mehr Detektoren zur Bestimmung eingesetzt werden, desto besser ist die Messung der deponierten Energie. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

20. Bestimmung der Orts-Auflösung Zur vollständigen Charakterisierung des Photons durch den Vierer- Impuls 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 Schauer- schwerpunkt nach folgenden Formeln verbessern. Ortskoordinaten Energiedeposition Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

21. Die Ortsrekonstruktion erbringt eine gute Über- einstimmung mit der erwarteten Strahlfleckgröße. Die Position eines Gammas kann auf diese Art sehr gut reproduziert werden. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

22. Bei einer höheren Einschußenergie wird die Ortsauflösung besser. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

23. 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. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

24. 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. Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

25. Lichtwellenleiter: Lichttransport durch totale, innere Reflektion Stufenprofil: und Brechungszahlen der Materialien Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

26. maximaler Akzeptanzwinkel (ergibt sich aus ) • n1, n2 Brechungszahlen der Materialien • Winkel der Totalreflexion Mit den Werten =1,59 und =1,49 erhalten wir für einen Winkel von: Totalreflexion für einen Winkel größer als 69,6°! Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

27. 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 Dieser Peak kann im Nachhinein noch benutzt werden, um eine Inter- Kalibration durchzuführen. Der Vorteil hiervon ist, daß keine extra Strahlzeit von Nöten ist. ( - Bestimmung) Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

28. 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. so variiert bis der Peak von der Breite her ein Minimum ein- nimmt. Hierfür braucht man eine sehr hohe Rechnleistung. Invertierung einer N x N Matrix! (N = Zahl aller Kristalle) Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

29. Zusammenfassung • Eichung: • Unterscheidung zwischen Einzelkristall und Inter-Kalibration • Eichung mit • Gammas • monoenergetische Strahlen • kosmischer Strahlung • Lichtpulser • Daten • Überwachung: • Lichtpulser Extraktion physikalischer Größen - invariante Masse Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert

30. 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, ... Seminar: Kalorimeter für em Strahlung -- Daniel Buschert