P326: il test del CEDAR in H6 al CERN

1. P326: il test del CEDAR in H6 al CERN CSN1 Roma, 5 febbraio 2007 • Collaborazione INFN (Fe - Fi - Pg – Pi – To) - CERN CSN1 5 febbraio 2007 P .Cenci

2. Apparato sperimentale di P326 p+ K+ n n • RICH • Odoscopio (CHOD) • Calorimetro a Liquid Kripton • Veto m (MAMUD) • Veti g a piccolo angolo (IRC1, IRC2, SAC) • Cerenkov differenziale (CEDAR) • Tracciatore di fascio (GIGATRACKER) • Doppio spettrometro magnetico in vuoto • Veti g a grande angolo (LAV)

3. Fascio Il CEDAR “Čerenkov Differerential counter with Achromatic Ring Focus for particle identification in the SPS secondary beams” - CERN 82-13  Čerenkov differenziale per identificare positivamente il K+ CEDAR: 2 esemplari costruiti  anni ’80: North He, West N2 West: separa K’s da π con impulso ≤ 150 GeV/c e rivela p con impulso ≥ 12 GeV/c Nord: separa K’s da π con impulso ≤ 300 GeV/c e rivela p con impulso ≥ 60 GeV/c Specchio Correttore La luce Čerenkov, trasmessa attraverso il diaframma, percorre lenti di quarzo che ne correggono la traiettoria, finestre di quarzo, ed è infine raccolta da 8 fototubi sensibili all’UV, con diametro di 5 cm, ad un raggio R = 103 mm rispetto all’asse del fascio, disposti sui vertici di un ottagono regolare PMT PMT Diaframma (immagine dell’anello) 6 m

4. Il CEDAR L’apertura del diaframma, posizionato alla distanza focale, seleziona i fotoni delle particelle volute: cos θ = 1/nβ Δθ = (tan θ)-1Δβ/β≈ θ-1Δβ/β ΔR = f Δθ = f /θ R = raggio del ring f = distanza focale del sistema K/p Cedar-W 5 x 10-6 Parametri CEDAR-W Gas = N2 qc = 30.9 mrad Distanza focale = 388 cm DRk-p @75GeV/c = ~ 3mm Cedar-N 10-6

5. Il CEDAR 8 1 2 BEAM 7 6 3 5 4 Fascio entrante 8 8 7 6 4

6. Upgrade del CEDAR per P326 • Molto importante identificare con chiarezza il K per distinguerlo da eventi di fondo di interazioni dei pioni del fascio con il gas residuo, che ne simulano il segnale • Per questo si prevede l’upgrade di uno dei contatori Cedar-W esistenti, utilizzato in modo che sia sensibile unicamente ai K del fascio (5% del flusso totale di 1GHz di particelle) • Gas: H2 a 3 bar, per ridurre lo scattering multiplo • Richiesta una eccellente risoluzione temporale: ≤ 100 ps • Proposta (A.Placci) di sostituire i PM attuali con un insieme di PM Hamamatsu R2248-UV per far fronte alla alta intensità di particelle (rate ~ 50 MHz  1 K+ ogni 20 ns) • rate visto dal singolo PMT ridotto di un fattore almeno 10 • lettura effettuata distribuendo tutti i fotoelettroni tra ~ 200 PMT 6 m

7. Scopo del test del CEDAR in H6 CEDAR-W: test di nuovi PMT e nuova elettronica di R/O adatti a P326 Hamamatsu R2248-UV PMT Acqiris MAQbox: high performance 8 bit flash-ADC system RICH: luce del CEDAR sfruttata per misure delle prestazioni di PMT veloci e della elettronica di F/E e R/O Hamamatsu R7400U PMT (3 modelli) Scheda preamplificatore+Nino (shaper e discriminatore time-over-threshold), costruita a Firenze TDC CAEN 1290A, ottimizzato per misure temporali ad alta risoluzione

8. P326: il test del Cedar in H6 Informazioni generali: Installazione: alimentatori, elettronica r/o e daq in un rack lungo la linea di fascio H6, vicino al rivelatore (controllo con PC locale e in remoto) frontend (preampi+Nino) nel CEDAR, vicino ai PMT trasferimento veloce dei dati su Castor (link a 100 MBit) analisi dei dati immediata per feedback veloce Presa dati su fascio dal 10 al 18 Novembre Trigger: coincidenza T1∙T2 dei segnali di 2 scintillatori, elementi della linea di fascio H6, installati immediatamente a valle e a monte del Cedar Misure delle prestazioni di vecchi e nuovi PMTs ed elettronica, a rates ≤ 2 MHz

9. Il Cedar lungo la linea di fascio H6 T1 T2 Hamamatsu R2248-UV Fotografie di Luciano Zaccarelli Hamamatsu R740-U

10. Test del CEDAR: volume di dati • Rawdata ~ 7 MB/burst (DAQ rate: ~ 150k eventi/burst) trasferiti su Castor nei run standard (intensità ~ 105 ppp, ciclo SPS ~ 4.8 s / 15.5 s) • Nei run a alta intensità (~ 107 ppp, massima intensità possibile in H6) acquisiti fino a 155 MB/burst • fino a 3.3M eventi in un burst singolo • Volume di dati totale ~ 70 GB • Reprocessing dei rawdata: • Ntuple di analisi prodotte su Castor

11. Condizioni di test Conteggi / T1∙T2 trigger Pions Protons Composizione del fascio misurata con il Cedar: Fascio di adroni positivi@100 GeV in H6 punto di lavoro sul picco dei pioni intensità entro 105-107 ppp (rates ≤ 2 MHz) Kaons N2 pressione assoluta (mbar) Dati da Jens Spanggaard

12. NINO shaper e discriminatore time-over-threshold cavi di 5 ns PMT TDC CAEN 1290A bin width (LSB) 25 ps multiple hit capability double hit resolution 5 ns preamplificatore (costruito a Firenze) Schema a blocchi della elettronica di test • Installate due diverse catene di lettura: • CEDAR R/O per i PMT standard: discriminatori updating • RICH e New CEDAR PMT front-end (Fi): preamplificatori e scheda NINO (ALICE, shaper e discriminatore time-over-threshold) installati all’interno dell’involucro del CEDAR • Per tutti: lettura dei tempi con un TDC CAEN 1290A TDC NINO non corregge per slewing: la correzione può essere applicata off-line misurando sia il leading che il trailing edge del segnale

13. Risultati principali del test • Test dei PMT standard del CEDAR-W • Numero di fotoelettroni ed efficienza • Risoluzione temporale • Test dei nuovi PMT per il CEDAR di P326 • Efficienza • Scan in tensione • Risoluzione Temporale • Test dei PMTs per il RICH di P326 (3 tipi diversi) • Efficienza • Risoluzione temporale • Test della elettronica di frontend di Firenze: preamplificatore + NINO • Test del R/O Acqiris MAQbox per il CEDAR di P326 • Analisi in corso

14. PMT standard del CEDAR: fotoelettroni e efficienza Il numero di fotoelettroni Npe è calcolato così: Numero totale di fotoelettroni:18.5 Numero medio di fotoelettroni per PMT: 2.3

15. PMT standard del CEDAR:risoluzione temporale Risoluzione temporale calcolata dalla differenza dei tempi di due fototubi (discriminatore updating, nessuna correzione applicata): • RMS ~ 1.2 ns, σ (fit gaussiano) ~ 1 ns σ~ 700 psper canale t2-t3 (ns) t1-t3 (ns) t1-t2 (ns)

16. Test dei PMT Hamamatsu R2248-UV • Flusso di K+ in P326 ≈ 5 x 107 MHz, eccessivo per i PMT del CEDAR • per ridurre il rate visto dai PMT di un fattore 10 è necessario distribuire la luce totale su ~200 PMTs con la stessa efficienza quantica e le stesse proprietà di raccolta di luce • Nuovo tipo di PMT proposti per il CEDAR di P326 (A. Placci): Hamamatsu R2248-UV • Sezione quadrata 9.8 x 9.8 mm • Lunghezza 45 mm • Area utile fotocatodo 8 x 8 mm2 • 8 stadi • Alimentazione massima 1500 V • Guadagno a 1500 V ~ 3 x 106 Borosilicate windowsBialkali cathode Tre PMT R2248-UV sono stati assemblati in linea nello stesso involucro con un sistema di specchi per la raccolta di luce e installati al posto di 1 PMT del CEDAR  area sensibile totale: 3.2 x 1.2 cm2, corrispondente all’area illuminata dalla luce Čerenkov nel CEDAR-W del test

17. R = 100 mm Simulazione del CEDAR (Lau Gatignon) Distribuzione dei punti di impatto dei fotoni sul piano dei PMT Raggio medio: 105 mm Il PMT centrale è centrato a 103 mm (centro dei PMT standard, secondo i disegni ufficiali Copertura radiale dei PMT: PMT Esterno: 108 – 118 mm PMT Medio: 98 – 108 mm PMT Interno: 88 – 98 mm

18. PMT Hamamatsu R2248-UV: efficienza • I PMT esterni sono esterni o al limite del “beam spot” • L’ efficienza è completamente dominata dalla accettanza geometrica dei fotoni • L’efficienza del PMT centrale è confrontabile con quella dei PMT R7400-U del Rich

19. outer PMT counts per trigger middle PMT inner PMT PMT voltage (V) PMT Hamamatsu R2248-UV: scan in tensione

20. counts per trigger PMT voltage (V) PMT Hamamatsu R2248-UV: scan in tensione OR dei segnali dei 3 PMTs Il valore del 97% al plateau indica che l’efficienza quantica e la raccolta di luce sono adeguate

21. Risoluzione Temporale t(central PM) – t(outer PM) ns PMT Hamamatsu R2248-UV Singolo PMT: σ = 0.644/√2 = 0.455 ns senza correzione per slewing

22. PMT Hamamatsu R2248-UV: conclusioni • I PMT Hamamatsu R2248UV hanno una efficienza quantica adeguata per il CEDAR • Il sistema di raccolta della luce costruito per il test funziona correttamente • La risoluzione temporale ottenuta è promettente e può esser migliorata • correzione per slewing, ottimizzazione uso NINO+TDC • La analisi dei dati letti con il MAQbox Acqiris è in corso • Per rivelare tutti i K del fascio (50 MHz: 5% di 1 GHz) con il CEDAR in P326 occorre diffondere quanto più possibile la luce Čerenkov su molti PMT (simulazione di Lau G.) • nuova ottica aggiuntiva: 8 specchi ellittici esterni

23. Misure delle proprietà dei PMT Hamamatsu R7400U per il RICH di P326 • Hamamatsu R7400U PMT • diametro 16 mm • lunghezza 16 mm • diametro utile fotocatodo 8 mm • 8 stadi • Alimentazione massima 1000 V • Guadagno a 800V ~ 5-7 x 106 • λ picco ~ 420 ns • t.t.s. 280 ps Misure di test di tre tipi : • R7400-U03: Bialkali, UV glass • R7400-U04: Multialkali, UV glass • R7400-U06: Bialkali, quartz

24. PM datasheet 800 V, ~410 nm • R7400-U03: Bialkali, UVglass • R7400-U04: Multialkali, UVglass • R7400-U06: Bialkali, quartz

25. Efficienza dei PMT del RICH • L’efficienza dipende dalla accettanza geometrica dei PMT • I PMT U04 mostrano un minore numero di fotoelettroni dovuto al minore guadagno e non sembrano adatti per il Rich • Il secondo PMT di tipo U03 risulta meno efficiente degli altri riproducendo quanto misurato in laboratorio e indicato nei datasheet di Hamamatsu

26. Sistema di raccolta della luce Per migliorare la raccolta della luce sono stati installati conetti con superficie riflettente in mylar in modo da inviare luce sulla parte sensibile della finestra dei PMT • L’accettanza geometrica è migliorata e l’ efficienza è cresciuta del 20%, secondo le aspettative • Nei casi migliori sono stati misurati fino a 2 fotoelettroni per PMT

27. TTRIG-ti Misure dei tempi Tutti i PMT sono stati messi in tempo rispetto al tempo del trigger, dato dalla coincidenza di due scintillatori (elementi della linea di fascio H6) a monte e a valle del CEDAR σ(TTRIG-ti) = 1.2 ns i=1,2 Definiamo gli eventi in tempo: |(TTRIG-ti)|< 6 ns (5σ) i=1,2 sono 2 PMT del Rich (Baseline: rumore stabile ≤ 0.1%)

28. Accidentali Correlati t2 “refirings” “refirings” t1 Distribuzione temporale eventi fuori tempo Eventi nei quali almeno per un PMT vale: |(TTRIG-ti)| > 6 ns Eventi correlati: particelle accidentali del fascio (accidentali in tempo” Eventi scorrelati: luce Čerenkov in un PMT e evento accidentale nell’altro (accidentali fuori tempo, e “refirings” che avvengono ad un tempo fissato, dovuti a effetti strumentali e di disadattamento (mostrati anche dagli R2248-UV), studiati e capiti in laboratorio a Fi

29. Risoluzione Temporale t1-t2 Eventi in tempo sui diversi PMT (nessuna correzione): σ(t1-t2) = 325 ps σPMT= 325/√2 = 230 ps da approfondire lo studio delle code e della baseline (seconda gaussiana larga)

30. PMT Hamatsu R7400 - Conclusioni • I PMT del RICH hannobuona efficienza quanticaper lo spettro di luce Čerenkov • I PMT di tipo U04 sono meno efficienti rispetto a U03 e U06 • I conetti di mylar migliorano la raccolta di luce di ~20% • La catena di elettronica di readout non ha mostrato problemi; da approfondire: massimo rate raggiungibile con il sistema VME • Da indagare in laboratorio possibili disasattamenti del frontend preampi+Nino • Le prestazioni in risoluzione temporale sono promettenti in relazione a quanto richiesto per il Rich di P326 • Nuovi risultati dalle misure in laboratorio a Firenze

31. Misure in laboratorio (M. Lenti, Firenze) Argomenti studiati: • Rumore • Riflessioni del segnale • Efficienza • Risoluzione temporale Stessa attrezzatura sperimentale del test: • Condizioni simili a quelle del test • Sorgente di luce: “picosecond laser” 440 nm, attenuato opportunamente Risultati principali: • Misurato un piccolo disadattamento di 50 Ohm, da correggere • Cross talk non riprodotto: da approfondire • Riprodotta la risoluzione temporale misurata nel test • Applicata una correzione per slewing dalla misura di leading e trailing edge: • σ(t1-t2) = 272 psvalore adeguato a quanto atteso per il Rich di P326 • da approfondire lo studio degli eventi nelle code e nella baseline (gaussiana larga)