p326: il test del cedar in h6 al cern

P. Cenci 5 febbraio 20071CSN1CSN1

P326: il test del CEDAR

in H6 al CERN

Collaborazione

INFN (Fe - Fi - Pg – Pi – To) - CERNP .Cenci 5 febbraio 2007CSN1CSN1

CSN1 Roma, 5 febbraio 2007


KK

Apparato sperimentale di P326

•RICHRICH

• Odoscopio (CHOD)Odoscopio (CHOD)

• Calorimetro a Liquid KriptonCalorimetro a Liquid Kripton

• Veto Veto (MAMUD) (MAMUD)

• Veti Veti a a piccolopiccolo angolo (IRC1, IRC2, SAC) angolo (IRC1, IRC2, SAC)

• Cerenkov differenziale (CEDAR)Cerenkov differenziale (CEDAR)

• Tracciatore di fascio (GIGATRACKER)Tracciatore di fascio (GIGATRACKER)

• Doppio spettrometro magnetico in vuotoDoppio spettrometro magnetico in vuoto

• Veti Veti a grande angolo (LAV) a grande angolo (LAV)


Il CEDAR

““Čerenkov Differerential counter with Achromatic Ring Focus for particle Čerenkov Differerential counter with Achromatic Ring Focus for particle identification in the SPS secondary beams” - CERN 82-13identification in the SPS secondary beams” - CERN 82-13

ČČerenkov differenziale per identificare positivamente il Kerenkov differenziale per identificare positivamente il K++

CEDAR: 2 esemplari costruiti CEDAR: 2 esemplari costruiti anni ’80: anni ’80: North North He, He, West West NN22

West: West: separa K’s da π con impulso separa K’s da π con impulso ≤ ≤ 150 GeV/c e rivela p con impulso 150 GeV/c e rivela p con impulso ≥ ≥ 12 GeV/c12 GeV/c

Nord: Nord: separa K’s da π con impulso ≤ 300 GeV/c e rivela p con impulso ≥ 60 GeV/csepara K’s da π con impulso ≤ 300 GeV/c e rivela p con impulso ≥ 60 GeV/c

SpecchioSpecchio

La luce Čerenkov, trasmessa attraverso il La luce Čerenkov, trasmessa attraverso il diaframma, percorre lenti di quarzo che diaframma, percorre lenti di quarzo che ne correggono la traiettoria, finestre di ne correggono la traiettoria, finestre di quarzo, ed è infine raccolta da 8 fototubi quarzo, ed è infine raccolta da 8 fototubi sensibili all’UV, con diametro di 5 cm, ad sensibili all’UV, con diametro di 5 cm, ad un raggio R = 103 mm rispetto all’asse un raggio R = 103 mm rispetto all’asse del fascio, disposti sui vertici di un del fascio, disposti sui vertici di un ottagono regolareottagono regolare

CorrettoreCorrettore

FascioFascio

Diaframma Diaframma (immagine dell’anello)(immagine dell’anello)

PMTPMT

PMTPMT

6 m


Il CEDAR

L’apertura del diaframma, posizionato alla L’apertura del diaframma, posizionato alla distanza focale, seleziona i fotoni delle particelle distanza focale, seleziona i fotoni delle particelle volute:volute:

cos cos θθ = 1/n = 1/nββ

ΔθΔθ = (tan = (tan θθ))-1-1 ΔΔββ//ββ ≈ ≈ θθ-1-1 ΔΔββ//ββ

ΔΔR = f R = f ΔθΔθ = f / = f /θθ

R = raggio del ringR = raggio del ringf = distanza focale del sistemaf = distanza focale del sistema Cedar-

W5 x 10-6

Cedar-N10-6

( / )p GeV c

2 21 2

22

m m

p

K/

Parametri CEDAR-WGas = N2

c = 30.9 mradDistanza focale = 388 cmRk- @75GeV/c = ~ 3mm


BEAM

Il CEDAR

1

2

3

45

6

7

8

Fascio entrante44

66

88

77

88


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


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

Scopo del test del CEDAR in H6


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

P. Cenci 5 febbraio 20079CSN1CSN1 Hamamatsu R740-UHamamatsu R740-UFotografie diFotografie diLuciano ZaccarelliLuciano Zaccarelli

Hamamatsu Hamamatsu R2248-UVR2248-UV

Il Cedar lungo la linea di fascio H6Il Cedar lungo la linea di fascio H6

T2T2

T1T1


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

Test del CEDAR: volume di dati


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)

Beam Composition

00,10,20,30,40,50,60,70,8

1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050

Pressure

%

Dati da Jens SpanggaardDati da Jens Spanggaard

PionsPions

KaonsKaons

ProtonsProtons

Condizioni di testC

on

teg

gi /

T1∙T

2

trig

ger

N2 pressione assoluta (mbar)


PMT

cavi di 5 ns

preamplificatore (costruito a Firenze)

NINOshaper e discriminatore

time-over-threshold

TDC CAEN 1290Abin width (LSB) 25 ps

multiple hit capability double hit resolution 5 ns

Schema a blocchi della elettronica di test

NINO non corregge per slewing: la correzione può essere applicata off-line misurando sia il leading che il trailing edge del segnale

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


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


PMT standard del CEDAR:

fotoelettroni e efficienza

EfficienzaEfficienza NNpepe

PMT 1 92.0±0.1 2.5

PMT 2 94.2±0.1 2.8

PMT 3 88.4±0.1 2.15

PMT 4 93.3±0.1 2.7

PMT 5 89.5±0.1 2.3

PMT 6 76.7±0.1 1.5

PMT 7 88.7±0.1 2.2

PMT 8 90.6±0.1 2.4

Numero totale di

fotoelettroni: 18.5

Il numero di fotoelettroni Npe

è calcolato così:)1ln(1)0( effeEffP

Numero medio di fotoelettroni per

PMT:

2.3


PMT standard del CEDAR:

risoluzione temporaleRisoluzione 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 ps per

canale

t2-t3 (ns)

t1-t2 (ns)

t1-t3 (ns)


Test dei PMT Hamamatsu R2248-UV

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

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

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


Distribuzione dei punti di impatto dei fotoni sul piano dei PMT

R = 100 mm

Raggio medio: 105 mm

Il PMT centrale ècentrato a 103 mm

(centro dei PMT standard, secondo i disegni ufficiali

Copertura radiale dei PMT:PMT Esterno: 108 – 118 mmPMT Medio: 98 – 108 mmPMT Interno: 88 – 98 mm

Simulazione del CEDAR

(Lau Gatignon)


PMT Hamamatsu R2248-UV: efficienza

Eff R2248Eff R2248 nphenphe

PMT 1 OR 2 OR 3 84.2±0.1 1.85

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


PMT Hamamatsu R2248-UV: scan in tensione

PMT voltage (V)

cou

nts

per

tri

gg

er

outer PMT

middle PMT

inner PMT


Il valore del 97% al plateau indica che l’efficienza quantica e la raccolta di luce sono adeguate

PMT Hamamatsu R2248-UV: scan in tensione

OR dei segnali dei 3 PMTs

PMT voltage (V)

cou

nts

per

tri

gg

er


Risoluzione Temporale

t(central PM) – t(outer PM) ns

Singolo PMT:

σ = 0.644/√2

= 0.455 nssenza correzione per slewing

PMT Hamamatsu R2248-UV


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

PMT Hamamatsu R2248-UV: conclusioni


Misure delle proprietà dei PMT Misure delle proprietà dei PMT

Hamamatsu R7400U Hamamatsu R7400U per il RICH di P326per 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


PM datasheet

Lab Test N. Serial Cathode resp. A/lm

Quantum eff. Anode resp. A/lm Gain × 10 Anode dark current nA

0 06-CB1807 55.2 16.6% 68.1 12.3 0.02

1 06–CB1806 59.9 18.0% 64.7 10.8 0.01

2 06–CB1820 68.7 20.6% 56.1 8.2 0.07

3 03-HA9528 65.2 19.6% 46.5 7.1 0.02

4 03-HA9542 45.0 13.5% 54.0 12.0 0.01

5 03-HA9350 63.4 19.0% 44.8 7.1 0.01

6 04-PA0134 84.1 25.3% 17.4 2.1 0.01

7 04-PA085 140.0 42.0% 48.4 3.5 0.04

8 04-PA153 102.0 30.6% 27.7 , 2.7 0.01

800 V, ~410 nm

• R7400-U03: Bialkali, UVglass• R7400-U04: Multialkali, UVglass• R7400-U06: Bialkali, quartz


Efficienza dei PMT del RICH Efficienza dei PMT del RICH

Eff U03Eff U03 # phe# phe Eff U04Eff U04 # phe# phe Eff U06Eff U06 # phe# phe

PMT 1 67.1±0.1 1.1 25.0±0.1 0.30 71.5±0.1 1.26

PMT 2 47.4±0.1 0.64 27.1±0.1 0.32 62.5±0.1 1.0

PMT 3 63.2±0.1 1.0 37.7±0.1 0.47 68.9±0.1 1.2

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


Sistema di raccolta della luceSistema 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

Eff U03Eff U03 NpheNphe

PMT 2 74.6±0.1 1.4

PMT 3 87.4±0.1 2.2

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


Misure dei tempi Misure dei tempi

TTTRIGTRIG-t-tii

Definiamo gli eventi in tempo:

|(TTRIG-ti)|< 6 ns (5σ)

i=1,2 sono 2 PMT del Rich

(Baseline: rumore stabile ≤ 0.1%)

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

σσ(T(TTRIGTRIG-t-tii) = 1.2 ns ) = 1.2 ns i=1,2i=1,2


“refirings”

“refirings”

Accidentali Correlati

t2

tt11

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

Eventi nei quali almeno per un PMT vale: |(TTRIG-ti)| > 6 ns

Distribuzione temporale eventi fuori Distribuzione temporale eventi fuori tempotempo


Risoluzione TemporaleRisoluzione Temporale

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)

tt11-t-t22


PMT Hamatsu R7400 - ConclusioniPMT Hamatsu R7400 - Conclusioni

I PMT del RICH hanno buona efficienza quantica per 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


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)

p326: il test del cedar in h6 al cern

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