Presentazione standard di PowerPoint

Nuova strumentazione per SPES
Studio della struttura dei nuclei  reazioni dirette
•
•
•
•
Scattering Elastico (sensibile alla distribuzione di densità di p,n)
Scattering Inelastico (aspetti collettivi, B(E2),B(E3))
Transfer di un nucleone (stati di particella singola, processi astrofisici)
Transfer di coppie di nucleoni (pair correlations)
Reazioni a due corpi in cinematica inversa:
vantaggioso effettuare la misura della cinematica del partner leggero
Problemi:
• Particelle di bassa energia - identificazione
• Forte dipendenza angolare
• Compressione cinematica ai grandi angoli
• Fasci bassa intensità (efficienza di rivelaz.)
Possibile soluzione: spettrometro HELIOS_type
Utilizzare un campo magnetico di solenoide (2-5 Tesla), uniforme in tutto il volume, come
spettrometro per particelle cariche leggere:
•
Porre il bersaglio sull’asse magnetico del Solenoide
•
Particelle emesse dal bersaglio seguono un moto elicoidale e sono focalizzate lungo
l’asse del solenoide: Tcyc = 2m/Bqe z = vparTcyc
•
Rivelazione mediante array di Si a posizione posti lungo l’asse del fascio in geometria
opportuna per far passare il fascio ed il recoil
Cosa serve misurare:
•
il punto d’impatto z (Dx = 1 mm)
•
Elab
•
ToF delle particelle (~ 1-2 ns)
In un campo omogeneo ToF = Tcycl
Schema HELIOS
Quantità derivate:
• m/q
Identificazione della particella
• Ecm
Grandezze cinematiche
• Qcm
Grandezze cinematiche in un Solenoide omogeneo
m/q = (eB/2) Tflight
2
Qcm = arccos(qeBz-2mVcm/(2 2mElab +m2Vcm
–mVcmqeBz/)
2
Ecm = Elab + 1/2mVcm
–VcmeqBz/2
Tcycl = 65.6 * A/qB (ns) (con A in amu, B in Tesla)
Protoni
d, Alfa2+
trizio
B= 2 Tesla
32.8 (ns)
65.6 (ns)
98.4 (ns)
B = 3 Tesla
21.9 (ns)
43.7 (ns)
65.6 (ns)
Per l’identificazione delle particelle
è sufficiente avere 2 ns di timing
Cosa è possibile studiare dipende da:
• Cinematica
• Intensità del campo
• Dimensioni del Magnete
La qualità del risultato dipende da:
• La precisione con cui si conosce il campo
• Il tipo di array adoperato
Il Magnete
I parametri che determinano l’accettanza dello spettrometro sono:
• il valore di campo magnetico
• Il raggio (R)
• la lunghezza (L)
Campo omogeneo nel solenoide sostanzialmente ristretto ad una regione con L ≈ 2R
Z di impatto sull'asse del
solenoide (cm)
Zimp del protone sull'asse del solenoide B =
200
Z imp E = 1 M
T
Z imp E = 2 M
150
Z imp E = 3 M
Z imp E = 4 M
Z imp E = 5 M
100
Z imp E = 6 M
Z imp E = 8 M
50
Z imp E = 10
Z imp E = 12
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Angolo di emissione (gradi)
Campo variabile per ottimizzare la focalizzazione delle particelle (p,d,t,a) sui rivelatori
Dimensioni utili per la rivelazione (campo omogeneo) : R ~ 40 cm - Lunghezza 100-120 cm
Il Magnete
Omogeneità:
Helios utilizza un solenoide nato per RMN con omogeneità di campo nella zona utile
pari a 10-4
Stima effettuata operando OPERA con Solenoide con omogeneità pari a 10-3
25
14
Protone 2 MeV
12
10 deg
40 deg
70 deg
10 deg
40 deg
R in cm
R in cm
10
Protone 6 MeV
20
8
6
4
15
70 deg
10
5
2
0
0
-40
-20
0
20
40
z in cm
Dx (ideale – Solenoide 10-3) = f(E,Theta_lab)
-40
-20
0
20
40
60
z in cm
Es: protoni 6 MeV, Qlab=10° Dx= 1.2 mm
Es: Protoni 6 MeV Qlab=10°  Dx (ideale – Solenoide 10-4) = 0.7 mm
Stray Field:
• Importante per la ‘’safety zone’’
• Definizione zona di utilizzo motori/sistemi di pompaggio
• Possibili effetti sulla dimensione del beam spot (da valutare con attenzione)
Sistema di rivelazione
La geometria del set-up dipende dal tipo di reazione che si intende studiare (cinematica)
Fascio
Es:(d,p) (t,p) (3He,d) (3He,a)
Fascio
Es: (p,p’) (p,d) (3He,t)
Tipo di rivelatori da adoperare:
• Si di 1000-1500 mm sensibili alla posizione (dimensioni es. 50 x 20 mm)
• Valutare utilizzo della misura della posizione sulle due dimensioni nella ricostruzione
dell’angolo di emissione (qlab) (Strip detector o bidim)
Geometria:
• La più semplice è quella alla Helios (array lineare con sez quadrata 20 x 20 mm)
• Array con sezioni esagonali o ottagonali (incremento numero rivelatori)
• Dimensione lineare dell’array: 800 – 1000 mm
Sistema di rivelazione
Setup Si di HELIOS
Effetto della geometria
-26.3
Impatto protoni vs phi
Z impatto (cm)
-26.35
-26.4
-26.45
-26.5
-26.55
3 MeV - 120deg
-26.6
0
50
100
150
Si 1000 mm – 20 x 50 mm
200
250
300
350
400
phi (deg)
-26
z in cm
-26.2
0
60
120
180
240
300
360
-26.4
-26.6
-26.8
-27
sorgente a (0.5;0;0)cm
phi in gradi
Array con sezioni di forma esagonale o ottagonale minimizzano gli effetti di dimensione
trasversale del rivelatore
Sistema di rivelazione
Recoil detector:
•
•
tipologia da studiare,utilizzo dipendente dal tipo di reazione e/o dalla
purezza del fascio in caso di contaminanti
Utiizzo del recoil potrebbe implicare un cambio di geometria dell’array
dei Si in avanti.
Array di rivelatori per la misura dei gamma:
•
•
•
•
•
•
Miglioramento della risoluzione
valutazione del tipo di rivelatore da adoperare
geometria (emisfero opposto a dove si rivelano le particelle cariche)
valutazione della presenza del rivelatore sul campo magnetico
efficienza geometrica
In corso studio per utilizzo di HPGe in campo magnetico (ERC di Recchia (Pd))
Solenoide + Array di HPGE
Valutazione del funzionamento dei HPGE in campo magnetico
Misure con sorgenti g:
• Risoluzione
• Stabilità
• Efficienza
K. Szymanska et al. NIM A 592 (2008) 486–492
Eg = 1332 KeV
M. Agnello NIM A 606(2009)560–568
Geometria del setup
Array gamma:
• Misurare in coincidenza particelle-gamma
• Miglioramento della risoluzione
• Determinazione Jp di stati non noti
• Determinazione della schema di livelli
• Misurare gamma in scattering inelastico
• Studio degli isomeri mediante coincidenza
ritardata gamma-particella
Spettrometro HELIOS-like @ LNS
L= 226 cm
Rout=101cm
Punto di impatto sull’asse del
solenoide al variare di theta
Z imp E = 1 MeV
100
Z imp E = 2 MeV
Z imp E = 3 MeV
80
Z imp E = 4 MeV
Rin=30cm
Campo non omogeneo
Ricostruzione alla HELIOS non direttamente applicabile
Z di impatto sull'asse del solenoide (cm)
Modello di SOLE in OPERA
Z imp E = 5 MeV
60
Z imp E = 6 MeV
E=1 sole
40
E=2 sole
E=3 sole
20
E=4 sole
E=5 sole
0
-20
-20
-40
-60
-80
-100
E=6 sole
30
80
130
180
Spettrometro HELIOS-like @ LNS
Protoni E= 4 MeV con theta fissato=70° -70.5° e phi
variabile - beam spot r=2 mm
Protoni E = 6 MeV
100
zZero
reale
zZero
Ideale
60
40
0
50
100
150
200
250
350
70 - 1
70 - 3
70 - 4
-0.4
70 - 5
70 - 6
-0.6
20
300
70-2
-0.2
Zimp (cm)
80
70 - 7
70 - 8
-0.8
70.5 - 1
0
-1
70.5 - 2
70.5 - 3
-20
-1.2
0
50
100
Angolo di emissione (gradi)
angolo di emissione (gradi)
Ricostruzione dell’angolo di emissione
69.0
Angolo (gradi)
zimp (cm)
0
zmeno20
•
•
69.2
69.4
•
69.6
69.8
70.0
70.2 0
1
Rbeam (mm)
2
Studio dell’array di rivelazione
Simulazioni complete con
campo misurato
Test con fascio
Active target nel Solenoide
Cosa è l’ACTIVE TARGET:
• Gas utilizzato come target e gas detector
• Identificazione delle particelle e cinematica mediante tracking
• Anodo di raccolta segmentato (2 x 2 mm2)
• Misura dei drift times e della carica indotta sulle pad
• Risoluzione in energia:  2%
Vantaggi:
• Alta efficienza e bassa soglia di rivelazione
• Miglioramento della risoluzione in impulso/energia
rispetto alle misure convenzionali (target+array di riv)
• Ampia copertura angolare
• Target spesso
• Ricostruzione del vertice dell’interazione e misura di Eloss
Utilizzo:
• Studio di reazioni dirette (elastico, inelastico, transfer)
• Studio delle reazioni di scattering risonante
• Studio di reazioni di fusione
Active target nel Solenoide
SpecMAT (progetto di LEUVEN):
Active target in campo magnetico
con rivelazione gamma
Solenoide per SpecMAT:
Diametro min. = 60 cm
Lunghezza min. = 50 cm
B = 3-5 Tesla
SiPMs
AsAd
boards
Field cage
Scintillation
crystals
Pad plane – high
granularity
Gas
chamber
Beam
entrance
Vantaggi del campo magnetico:
• La curvatura delle traiettorie dipende dalla rigidità magnetica (impulso della particella)
• Possibilità di rivelare traiettorie più lunghe (estensione del range)
• Focalizzazione degli elettroni primari durante il ‘’drift’’  migliore localizzazione della traccia
Costi indicativi e Persone
Solenoide superconduttivo: circa 1.5 -2.0 MEuro (dipende dalla dimensione e da Bmax)
(Ditte produttrici: TESLA Engeneering, ASG Superconductors, SIEMENS)
Rivelatori al Si + elettronica: 40 Keuro x 10 cm (array a sezione quadrata)
320 – 400 Keuro x 80 - 100 cm di array
Rivelatori al Si + elettronica: 80 Keuro x 10 cm (array a sezione ottagonale)
640 – 800 Keuro x 80 - 100 cm di array
Rivelatori al Si a strip o con misura posizione bidim. permetterebbero una migliore
ricostruzione delle grandezze cinematiche (oggetti non in produzione
da sviluppare)  ottimizzazione della geometria mediante test con
il solenoide dei LNS.
Rivelazione gamma da definire (ERC)
Meccanica per rivelatori e target
Persone interessate a tale attività:
LNL: G. De Angelis, F. Gramegna, T. Marchi (SPECMAT), A. Gottardo, A. Lombardi
Pd: F. Recchia, M. Mazzocco
LNS: D.Santonocito, A. Di Pietro, P. Figuera, C. Maiolino, R.Alba
Na: J. Pierroutsakou, C. Parascandolo