kalorimetry calorimeters n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Kalorimetry calorimeters PowerPoint Presentation
Download Presentation
Kalorimetry calorimeters

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 89

Kalorimetry calorimeters - PowerPoint PPT Presentation


  • 118 Views
  • Uploaded on

Kalorimetry calorimeters . Measurement of energies of particles . Proces energetických ztrát je statistický D E/E ~ 1/√ E process of energy losses is statistical 2. Rozměry kalorimetrů ~ ln (E 0 ) dimensions of calorimeters

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Kalorimetry calorimeters' - talor


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
kalorimetry calorimeters
Kalorimetrycalorimeters

Measurement of energies of particles

  • Proces energetických ztrát je statistický DE/E ~ 1/√ E

process of energy losses is statistical

2. Rozměry kalorimetrů ~ln (E0)

dimensions of calorimeters

3. Není třeba magnetického pole

no magnetic field is needed

4. Lze je segmentovat, tj. lze měřit i směr pohybu částice

they can be segmented i.e. the direction of particle motion can

be measured

5. Lze je použít na spouštění trigrů

they are used in triggers

6. Radiační poškození

Radiation demnage

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide8

Homogeneous calorimeters

Sampling calorimeters

B.1 electromagnetic - electromagnetic showers

B.2 hadronic - hadronic showers

B.3. calorimeter response

B.4. calibration

B.5. improvement of the resolution of hadron calorimeters

Calorimeter with liquid Ar

D. SPACAL calorimeter with scintillation fibres

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide9

A. Homogeneous calorimeters

used for detection of particles which interact electromagnetically i. e.

electrons, positrons, photons, (muons ?)

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide12

Homogenní kalorimetr

-olovnaté sklo

Homogeneous calorimeter

- lead glass

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide13

,

OPAL experiment, CERN, collider LEP

electrons (~50 GeV) vs

positrons (~50 GeV)

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide15

B. Sampling kalorimetrysampling calorimeters

Elektromagnetické : detekce fotonů, elektronů

Jejich princip je založen na šíření

elektromagnetických spršek

Electromagnetic : detection of photons and electrons

method : electromagnetic showers

Hadronové: detekce hadronů (piony, protony, neutrony ..)

hadronové spršky

Hadron calorimeters : hadron detection (pions, protons, neutrons..)

hadronic showers

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide16

Absorbers – shower development

Active (detection) layer – no shower development,

ionization only

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide18
B.1 elektromagnetickékalorimetry - ektromagnetickésprškyelectromagnetic calorimeters electromagnetic showers

Jednoduchý model : a simplified model

1) Každý e+, e-s E > Ecurazí 1 radiačnídélku a vyzáří 1/2 svéenergie

each e+, e- > transverses 1 radiation length end emits ½ of its energy

2) Každýfoton s E > 2urazí 1 radiačnídélku s a vytvořísymetrickýpáre+, e-

each photon with E > 2 transverses 1 radiation length and creates symmetric pair

3) Pro E<Ecžádnébrzdnézáření, pouzeztrátyionizací

for E<Ecno bremstrahlung, ionization losses only

4) Pro E > Eczanedbámeionizačníztráty

for E > Ecionization losses are neglected

slide19

1) Početčástic v hloubce t N(t)=2 t

number of particles at depth t

2) E(t) / částici = E0 / 2 t, E/particle

3) Hloubka v nížčásticemajíenergii E´

depth where partciles have energy E´

t(E´) = ln(E0 / E´) / ln2

4) Maximálníhloubkapro E(t)=Ec

maximum depth for

tmax= ln(E0/Ec) / ln2

5) Celkovádélkadrahnabitých částic

total length of charged particles

E0

T≈--- X0

Ec

Emission angles are neglected

All tracks are parallel

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide20

tmax

T = 2X0 / 3 *Σ2j+ S0 * 2 / 3 *Nmax

S0 je průměrná dráha nabitých částic s energií menší než je

kritická energie

is average track length of charged particles with E<Ec

j=0

T = 2X0/ 3 *( 2 tmax+1- 1) + S0* 2 / 3 *Nmax

≈4/3 X0 * E0 / Ec + S0* 2 / 3 * E0 / Ec

T ~ E0 / Ec* X0

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide21

Pokud detekujeme elektrony od nějaké energie Edje

If electrons are detected from the energy Ed

T = X0* F(k) * E0/Ec

k je parametr, definovaný např. jako

k is a parameter defined e.g. as

k=2.29 * Ed / Ec

F(k) je experimentálně nalezená formule

is determined experimentally

F(k) = ek( 1 + k *ln ( k / 1.526))

Pro k → 0 je F(k) → 1

For is

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

pod ln profil spr ek longitudinal shower profile
Podélný profil spršeklongitudinal shower profile

Parametrizace deponované energie v závislosti na hloubce t (X0)

získaná ze simulací a z měření

dEba

tae -b t

= E0

G(a)

dt

Deposited dE/dt energy at the depth t

a, b parametry, G - gama funkce

parameters, gamma function

tmax = (a -1)/b

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide24

Deponovaná

Energie

(lib. jednotky)

Deposited energy

(arbtr. units)

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide26

deposited energy/ total energy

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

p n profil elektromagnetick ch spr ek

r

Transverse (lateral) profile

Příčný profil elektromagnetických spršek

RM

Energie v příčném směru

Energy in the transverse direction

E(r) ≈ C *exp(-4r/RM)

C konstanta, a constant

RM

t

Přesněji dvě komponenty

In fact 2 components

E(r) = A *exp(-br) + C *exp(-dr), A,b,C,dkonstanty

constants

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide30

photon) = 9/7 )

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide32

Rozlišeníresolution

da

ds

Active layer:

Detekční médium s

velkým X0

Detection material with high X0

e

absorber

absorbátor

n vrstev detekčního prostředí „s“, n detection (active) layers “s”

Deponovaná energie,( dE/dxjsou ionizační ztráty v detekčním prostředí

Deposited energy , ( dE/dxion. loss of in the detection material

Es = ( dE/dx*ds ( N1 + N2 + N3 + …… Nn )

Ni počet nabitých částic ve vrstvě „i“

number of charged particles in the layer “ï”

Es = (dE/dx*ds* N

N je celkový počet nabitých částic prošlých detekčním prostředím

total number of charged particles traversing detection layers

Assumption (dE/dx

constant

slide33

Rozvoj spršky probíhá tak dlouho, až energie elektronů a pozitronů

v absorbátoru poklesne na kritickou energii, tj pro Fe je cca 23 MeV,

pro Pb je cca 8 MeV.

(kritická energie Ec ≈ 660/ (Z + 1.24) MeV )

V detekčním prostředí elektrony a pozitrony pouze ionizují.

Vzhledem k jejich energii jsou jejich ionizační ztráty na minimum

a málo závisí na energii. Proto v Es je dE/dx konstantní.

Showers end if positron and electron energies < critical energy

In the active layer electron and positron ionize only. Their ionization losses

are at minimum because their energies are sufficiently high.

( dE/dx ≈ constant

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide34

Ionization losses

electrons – no brehmsstrahlung

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide35

Absorbátor: Celkový počet částic vytvořených v

Absorber: absorbátoru a které projdou do detekčního prostředí

total number of particles produced in the absorber and which enter detection

medium

N = T/da = E0 / Ec* X0 / da

Energetické rozlišení v deponované energii je určeno fluktuacemiv N,

energy resolution of deposited energy correspond to the fluctuation of N

tj. DN=√N

Resolution: DEs/ Es = DN / N = 1 / √N = 1/√E0*√da*Ec / X0

Výše uvedený vztah platí za předpokladu, že všechny dráhy částice

ve spršce jsou paralelní se směrem dopadající částice a že detekujeme

částice všech energiích. Jestliže úhel emise sekundárních částice je q

a detekujeme částice od nějaké prahové energie dostaneme

DEs / Es = 1 / √ E0*√da*Ec / [X0 * F(k) *< cos q>]

Modification of the resolution if energies are detected from a

threshould energy and the emission angle of secondary particles

are taken into account

celkov energetick rozli en total energy resolution
Celkové energetické rozlišenítotal energy resolution

2

2

(

)

(

)

(

)

2

2

A0

√ E0

A3 * s0.5

E0

A1

√ E0

(

)

2

(

)

+

A2 ln(E0)

+

ΔE

E

+ A42

=

+

Fluktuace

ve spršce

Shower

fluctuation

Nehomogenita

non-homogenuity

Celkový elektronický

šum, S- je šum v

jednotkách energie

Total electronic noise,

S- noise in the unit

of energy

Fluktuace v

detekčním

Systému

fluctuation

of the detection

system

Ztráty na podélný

rozměr

Losses due to

longitudinal leakage

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

b 2 hadron calorimeters hadronic showers
B.2. Hadron calorimeters - hadronic showers

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide41

Příspěvek k dE/dx pro protony s energií 5 GeV v železe

contribution to dE/dx in iron for protons at 5 GeV

„viditelná“ energie

visible energy„neviditelná“ energie

invisible energy

Nabité piony, protony 40% vazbová energie 18 %

charged pions, protons binding energy

Neutrální piony π0 - 2γ 17% neutrony +ostatní 17 %

neutral pions neutrons + others

Jaderné fragmenty 8%

nuclear frgments

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide44

Electromagnetic

shower

e

Hadronic

shower

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide45

Podélný a příčný profil hadronových spršek

longitudinal and lateral profile of hadron showers

charakteristická veličina je interakční délka λI = 0.35 A1/3 g cm-2

characteristic quantity interaction lenght

nebo absorbční délka nezahrnuje elastickýrozpty

absorption length

Počet částic ve spršce <n> = A0.1 ln(E2tot )

Number of particles in a shower

Většinou piony cca 90% . Mostly pions ~90%

Podélnýprofil longitudinal profile

Energetické ztráty ve vzdálenosti l od počátku sprškynadélce dl

energy loss at the distance l from the start of shower in the lenghdl

dE(l) = E0 { (1 – c0 )H(x) dx + c0 F(y) dy }

x= ahad *l / λI , y= ael* l / X0 , c0frakceneutrálních pionů

parameters fraction of neutral pions

(platí pokud se neutr. piony produkují pouze v primárním vrcholu)

(valid if neutral pions are produced in the primary vertex)

slide46

Transverse profile r ⊥ direction of motion

constants

Hadron energy E

Valid for

Resolution of hadron calorimeters

--

Sampling term constant term

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide47

Vliv různých procesů na rozlišení hadronových kalorimetrů

Influence of various processes on the resolution of hadron cal.

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide48

Influence of various processes on the resolution of hadron cal.

Process characteristic feature influence on resolution

Hadron multiplicity of secondary

Interactions particles fluctuation

Nuclear evaporation energy ~10 % loss of binding

de-excitation binding energy 10 % energy

neutrons 40 % bad detection

protons 40 % of slow protons and

slow neutrons

decays energy

loss of neutrinos

and muons

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide51

Sampling kalorimetr

Elektromagnetická část

40 vrstev (Pb + scint.)

Electromagnetic section

Hadronová část

55 vrstev (Fe + scint.)

Hadronic section

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide52

Profil spršky pro piony o energii 270 GeV v kalorimetru o 90 vrstvách

olova o tlouštce ¾ inche

, součet přes mnoho pionů

Longitudinal

shower profile for

pions at 270 GeV

in a calorimeter of 90

layers of Pb, thickness

¾ inch,

sum over many pions

Profil vzhledem k počátku spršky

profile wrt. to the

shower start

Číslo vrstvy

Layer number

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide53

Profil jednoho pionu o energii 270 GeV

One pion

energie/vrstvu

číslo vrstvy

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide54

Profil dalších

dvou pionů

Other two pions

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide55

elektromagnetickásprškahadronová sprška

Electromagnetic shower hadronic shower

longitudinal profile

Délka v podélném směru , kde je maximální deponovaná energie

tmax ≈ [ 0.2 lnE (GeV)+ 0.7] ∙ λI

X0

Délka v podélném směru , kde je deponováno 95 % energie

t95%≈ a lnE + b

t95% =tmax + ( 0.08Z + 9.6) X0

Příčný profil lateral profile

95% energie je ve válci o poloměru

r ~ λI

Způsoben fixní hodnotou příčné hybnosti

sekundárních částic ≈ 0.4 GeV

Fixed transverse momentum of secondary

particles ~ 0.4 geV

95% energie je ve válci o poloměru

energy in a cylinder of radius

r=2 RM = 21 MeV/ Ec ∙ X0

Způsoben mnohonásobným rozptylem

due to multiple scattering

Železo, X0 =1.76 cm, λI = 16.8 cm, Ec = 22.5 MeV, částice s E=100 GeV: a=9.4, b=39,

tmax = 21 cm, t95%≈ 42 cm

r = 3.2 cm

tmax ≈ 27 cm, t95%≈ 80 cm

r ~16.8 cm

slide56

Hadronové kalorimetry jsou

  • Hadron calorimeters are
  • nelineární non-linear
  • mají špatné rozlišení ,kolem 0.9 / √E , (E v GeV)
  • they have bad resolution. about
  • mají jinou odezvu pro hadronynež elektrony při stejné primární energii
  • they have different response for hadrons and electrons
  • at the same primary energy

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide57

B.3 Calorimeter response

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide58

Calorimeterresponse homogeneous em. calorimeters

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide59

Calorimeterresponsesampling em. calorimeters

t thickness of detection

(active) material, of

absorber (passive)

mips: minimum

ioniz. particle

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide60

Calorimeter response hadron sampling calorimeters

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide61

Usually non compensating calorimeters,

i.e. the response is different for electrons an hadrons

Calorimeter signal : T

pion signal:

Particle energy 21 GeV

Calorimeter: Fe + scint.

Normalized to the pion signal

T/

e/h ratio:

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide62

e electromag. energy, h hadron energy

f fractions

mip: energy of a minimum ionizing particle

usually muon, (rel, p, n corresponding energies

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide65

B.4 Calibration

Determination of energy from measured signals i.e. E=A + B * Q

Q měřený náboj, measured charge

A, B, kalibrační parametry, které je třeba určit

calibration parameters, have to be determined from experiments

E je známá energie částice, použije se několik různých energií

known particle energy, several energies are used

kalibrace radioaktivními zdroji v jaderné fyzice

calibration with radioactive sources in nuclear physics

kalibrace svazky elektronů a hadronů, with electron and hadron beams

kalibrace mionywith muons

Kalibrace svazky elektronů je jednodušší , z ní se stanový tzv.

elektromagnetická škála tj. A a B.The calibration with electrons

electromagnetic scale., i.e. parameters A and B.

S těmito parametry se určí odezva na hadrony a tím se určí samplingpoměr

A response to hadrons is determined with these parameters e/h ratio

b) Testování odezvy detekčního prostředí v různých jehočástech, např. v rozích

scintilátorů, uprostřed atd.Testing of the response in various part of active cells

e.g. edges of scintillators etc.

slide66

Kalibrace s miony

Muon calibration

with muon beams

at accelerators,

muon energy is

known

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide67

Energetické

ztráty mionů

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide68

Muon energy cca 1 GeVtocca 100 GeV ≈nearly at ionization minimum

These muons are suitable for the calibration and testing of homogeneity of

calorimeter cells. The energy losses are described by Landauformula.

Měření těchto ztrát v kalorimetru v jedné cele (absorbátor Fe- scintilátor)

Energy loss measurement in a cell of a calorimeter (Fe + scint.)

The measured signal A in ADC (amplitude to digital convertor) units.

For each muon which penetrates the cell ⟹ one ADC value

nejpravd. hodnota Amip

The most probable value

Pozadí

background

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide69

Cely mají různé hodnoty Amip. Tyto hodnoty se překalibrují

  • na nějakou střední hodnotu, tj každá hodnota se násobí konstantou
  • C tak, aby Amip ∙ C = < Amip>
  • cells have various values of Amip. These values are recalibrated to
  • some mean value by a constant C, Amip ∙ C = < Amip >
  • uniform cell response
  • Energetická kalibrace: Miony se obvykle plně neabsorbují. Proto
  • se energetické ztráty přesně spočítají, tj v jedné cele je
  • ΔE = Cen ∙ < Amip >, kde Cen je energetická kalibrační konstanta
  • energy calibration: muons are not absorbed ⟹ their energy losses are exactly calculated, for a cell ΔE = Cen ∙ < Amip >, where Cen is the calibration
  • constant

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide70

Response of a calorimeter to electrons, pions and muons at primary energy 8 GeV

Calibrated on em. scale.

Odezva kalorimetru na elektrony, piony a miony o energii

8 GeV. Zkalibrováno na elektromagnetickou škálu

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide71

B.5 Zlepšení rozlišeníhadronových kalorimetrů

Improvement of the resolution of hadron calorimeters

Method: compensation

Hardware, absorbátor U238

  • získá se energie, která se rovná ztrátě na vazbovou energii
  • detekce neutronů a fotonů v detekční části kalorimetru
  • Energie fotonů malá → fotoefekt, závisící jako Z5
  • Energie neutronů → rozptyl na vodíku, n+p → n+p
  • ale malá účinnost na fotony
  • Nutno optimalizovat tlouštku absorbátoru a detekčního média a jeho
  • složení , rozlišení až 0.35/√E.

Software, tzv. metoda vážení, použitelná pro segmentované kalorimetry

E = ΣciEi, ci je vážící konstanta v cele i, která má energii Ei

cije rovno 1 pro rozpady π0 → 2γ

ostatní konstanty nalezené ze simulací tak , aby rozlišení bylo nejlepší

slide72

Compensation i.e. the same energy response for e and hadrons

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide73

Hardware compensation

reduction of the e-response and increase of the h-response

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide74

Resolutions hadronicΔE/E ≈ 0.3/

Experimentálnímetodyjaderné a subjadernéfyziky

slide75

Účinné průřezy interakce neutronů s uranem a vodíkem

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide76

Software compensation

i.e. weighting method, suitable for segmented calorimeters

E = ΣciEi, ci is the weighting constants in the cell I with the energy

sum over all cells

for c , ci = 1, electromagnetic scale

other constants are determined from the simulation

to get the best resolution

could be achieved hadronic resolution ΔE/E ≈ 0.5/

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide77

k

~

iron sampling calorimeter

(absorber Fe)

software compensation

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide79

Spršky ve vzduchu, tlak 1 atm

Showers in air, pressure 1 atm

X0 = 304 m λI = 745 m,

tmax = 1200 m

r=745 m

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

c kalorimetr s kapaln m argonem calorimeter with liquid ar
C. Kalorimetr s kapalným argonem calorimeter with liquid Ar

Kapalný Ar : liquid Ar

hustota 1g/cm3density

nezachycuje elektronyelectronegative

pohyblivost elektronů 5 ∙ 105 cm/s při napětí 1 kV/mm

electron mobility at the voltage

ionizační potenciál 26.5 eVionization potential

(dE/dx)min = 2.11 MeV/cm

nízká teplota 86o K

low temperature

slide81

Jaký je indukovaný náboj od ionizačních elektronů ?

What is the induced charge of ionization electrons?

Calorimeter cell

Absorbátorabsorber

+

x

Q

E =

Induced charge

d

Ar

-

Elektroda

electrod

Δ

Δq = Q Δx/d

Induced current in the external circuit :

slide82

Primární částiceprimary particle

V čase t=0 je celkovýnáboj ionizačních

elektronů Q0

At t = 0 total electron charge Q0

+

Počet elektronů se mění,

neboť se pohybují ke

kladné elektrodě, kde jsou

neutralizovány

v je rychlost elektronů

v is electron velocity

ionizační elektrony

ionization electrons

-

Induced current at time t:

is initial number of electrons, is number of electrons at time t

počet

A decrease of electrons dnduring dt passing an unit area

is electron density between electrodes

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide83

Induced current at time t,

Total induced charge

= 3.8 ∙10-15 C

example

total collection time of electrons d/v

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide84

Příklad struktury

hadronového

kalorimetru

z kapalného Ar

the structure of

ahadronic

calorimeter

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

d spacal kalorimetr ze scintila n ch vl ken scintillating fibre calorimeter
D. SPACAL kalorimetr ze scintilačních vlákenscintillating fibre calorimeter
  • Olovo a scintilační vlákna, Pb + scintillating fibres,
  • (vlákna průměr 0.5 mm, délka 30 cm,
  • fibres: diameter 0.5 mm, length 30 cm
  • Pb listy o tlouštce 0.8 mm, 40x40x200 mm)
  • Pb sheets: thickness 0.8.mm, 50x40x200 mm)
  • dobře měřený příčný profil lateral profile well measured
  • neměřený podélný profillongitudinal profile not measured
  • dobrá identifikace elektronů (p/e ~10-4 )goodelectron identification
  • nekompenzační, poměr signálu e/h=1.3 , non-compenzating , e/h=1.3
  • dobré rozlišení pro elektrony ~ 7 % good resolution for electrons ~7%

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide87

2 fotonásobiče

4 cm

8 cm

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide88

Příčný řez kalorimetrem SPACAL

Transverse cut of the calorimeter SPACAL

Submodul 8x4 cm

Urychlovací trubice

Accelerator pipe

Průměr 1.5 m,diameter 1.5. m

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

slide89

Spacal montáž do aparatury experimentu H1

Spacal installation into the detection system of the experiment H1

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky