1 Адронный калориметр эксперимента LHCb Ю. Гуз (ИФВЭ) 1.устройство 2.характеристики 3.светодиодная система мониторирования 4.система калибровки источником 137 Cs 5.текущее состояние
2 LHCb HCAL Основное назначение адронного калориметра LHCb – выработка триггера L0 на адрон с высоким поперечным импульсом: Требования: l скорость (цикл 25 нс) l рад. загрузка: ~100 krad/год вблизи пучка l ограниченный размер по глубине (между ECAL и мюонной системой) l достаточно «стандартного» энергетическго разрешения Предполагается, что ~70% решений триггера L0 будет вырабатываться с учетом информации с адронного калориметра Выбрана структура железо-сцинтиллятор, ориентированная вдоль направления пучка (аналог ATLAS TileCal). Имеется встроенная система автокалибровки на основе радиоактивного источника 137 Cs, а также система мониторирования на основе светодиодов.
3 LHCb HCAL : структура структура железо-сцинтиллятор, ориентированная вдоль направления пучка (TileCal): пучок ФЭУ spacers спектросмещающие волокна смеситель master plate сцинтиллятор Главные пластины (master) 6 мм Проставки (spacers) 4 мм сцинтиллятор 3 мм Шаг структуры: продольный 200 мм поперечный 20 мм 6 секций в продольном направлении (~6 λ I ): при высоких энергиях заметная утечка ливня в продольном направлении (что не влияет на качество выработки триггерного решения)
4 Спектросмещающие волокна: KURARAY Y11(250)MS Ø1.2 mm l Длина затухания ~ 3.5 м l Время высвечивания τ D ~ 7 нс l рад. стойкость: ~ 500 крад Сцинтиллятор: полистирол +1.5% PTP +0.03% POPOP Пластины толщиной 3 мм: 256x197mm (внешняя зона), 127x197 mm (внутренняя) Обернуты 100 мкм пленкой Tyvek (диффузное отражение, > 90% ) концы волокон алюминизированы компенсация затухания: длиной оптического контакта LHCb HCAL : структура
5 LHCb HCAL 2 независимые сборки по 26 модулей на подвижных платформах размер: 8.4 x 6.8 х 1.54 м 3 длина чувствительной области: 120 см вес ~500 т. размер ячейки: 262.6x262.6 мм 2 (внешняя зона), x (внутренняя) 1488 ячеек (608 внеш внутр. ) Модуль: поперечный размер 4201х262 мм 2 ; 16 внешних или 8 внеш + 32 внутр ячеек Вес ~9.5 тонн
6 LHCb HCAL: фотоприемник ФЭУ: HAMAMATSU R Модификация R7899, специально для LHCb бищелочной фотокатод, рад. стойкое УФ окно ( нм) QE 15% на 520 нм 10 динодов линейность ±2% темновой ток: < 2.5 нА макс. ток анода: 100 мкА Эффект загрузки: 10 нА Индивидуальный регулируемый источник высокого напряжения для каждого ФЭУ (схема Кокрофта- Уолтона, работоспособен до ~1 Mрад); управляющие модули вне рад. зоны Для компенсации 7 нс времени высвечивания волокон используется цепь укорочения сигнала на основе коакс. кабеля (по этому же кабелю подается сигнал на измеритель тока (интегратор) системы 137 Cs калибровки. Параметры укорачивающей цепи оптимизированы для сигнала от адронов
7 LHCb HCAL: основные характеристики ~3% угловая зависимость на высокой энергии: утечка ливней Световыход (с R ): ~105 ф.э./ГэВ (тесты на пучке )
8 LHCb HCAL: регистрирующая электроника Регистрирующая электроника: dead timeless: на выходе аналоговой обработки – интеграл входного сигнала за предшествующие 25 нс 12 бит 40 МГц flash АЦП чувствительность 20 фКл / отсчет период оцифровки 25 нс FIFO 256 событий момент оцифровки подстраивается с шагом 1 нс цифровая обработка для выработки триггерного решения: нахождение локальных максимумов и суммирование сигналов в сборках 2x2 (индивидуальный весовой фактор для каждой ячейки) встроенная тестовая система
9 LHCb HCAL: мониторная система на светодиодах синий светодиод (WU BC, Wustlich) два независимых светодиода на модуль регулируемая амплитуда импульса каждый светодиод мониторируется индивидуальным PIN фотодиодом для учета возможной нестабильности разводка света прозрачными волокнами одинаковой длины задержка запускающего импульса светодиода подстраивается с шагом 1 нс
10 LHCb HCAL: калибровочная система 137 Cs Использована разработка для ATLAS TileCal (гидравлический метод перемещения капсулы). По центру каждой из 6 продольных секций модуля HCAL проходит трубка, по которой перемещается капсула с источником (27 м на модуль). Все 26 модулей каждой половины детектора соединены последовательно. Во время движения источника ( 137 Cs, ~ 10 мКи) измеряется средний ток ФЭУ канальных плат интеграторов установлены рядом с ФЭУ. 4 диапазона: {0.3, 1.5, 9, 50} мкА; время интегрирования ~ 1.5 ms; 12 бит АЦП Считывается независимо от основной системы сбора данных LHCb «Гараж» капсула
11 Источник движется с постоянной скоростью ( см/с) зависимость тока от времени при прохождении источника через ряд пластин I(t) представляется в виде взвешенной суммы (эмпирически полученных) функций отклика, расположенных с одинаковым интервалом Δt: c i (пропорциональны световыходу каждой сцинт. пластины) I, отсчеты АЦП LHCb HCAL: калибровочная система 137 Cs При сборке детектора каждый модуль проходил тест 137 Cs: требовалось, чтобы отклики всех пластин ячейки лежали в пределах ±20% При калибровке используется сред- нее значение тока по всем 6 рядам пластин t, мс
12 Точность калибровки 137 Cs изучалась в тестах на пучке: калибровки на 137 Cs и 50 ГэВ π согласуются на уровне 2-3%. Внутренняя зонаВнешняя зона LHCb HCAL: калибровочная система 137 Cs Измерено отношение чувствительностей к 137 Cs и к адронам: C=41.07 (20.88) (нА/мКи)/(пКл/ГэВ) для внешних (внутренних) ячеек. Ожидаемая сист. ошибка 10% - в основном, точность определения активности источника NB Точность калибровки зависит также от характеристик «быстрой» электроники: разброса чувствительностей каналов, точности временнόй привязки,...
13 Номинальный режим (PHYSICS): для удобства вычисления E T – чувстви- тельность пропорциональна расстоя- нию до оси пучка. Принято, что максимальный входной сигнал АЦП будет соответствовать E T max =15 ГэВ, триггер E T >3.5 ГэВ COSMICS: одинаковая чувствитель- ность E max80 ГэВ, триггер E >1.5 ГэВ I, nA Ожидаемые анодные токи HCAL, нА при светимости L=2·10 32 cm -2 s -1, HV соответствует E T max=15 GeV, LHCb HCAL: настройка высокого напряжения Анодный ток в ФЭУ адронного калориметра будет непрерывно мониторироваться в ходе приема данных: независимая информация об относительной светимости, дозах, …
14 LHCb HCAL: состояние HCAL Установка модулей на платформы в зоне эксперимента: май-июль 2005 Запуск систем высоковольтного питания, светодиодной калибровки, интеграторов, гидравлики перемещения капсулы,... – Установка и запуск регистрирующей и триггерной электроники : 2007 Начало работы на космическом излучении: ноябрь 2007 Первый сеанс калибровки 137 Cs: июль 2008 В настоящее время: > 99.8% каналов работоспособны, откалиброваны, настроены по задержкам Регулярно проводятся сеансы 137 Cs калибровки и тесты на светодиодах, для изучения состояния детектора и проверки долговременной стабильности > 50% времени в рабочем режиме: необходим для выработки триггера для событий космического излучения, используемых для калибровки других подсистем LHCb Июль 2005
15 LHCb HCAL: состояние Окончательная калибровка 137 Cs: проведена 09/11/ прохода источника для получения регулировочных кривых ФЭУ 2 неисправных I, nA средний ток ФЭУ при калибровке 137 Cs, номинальный режим (E t max =15 ГэВ) A, ADC cnts Средняя амплитуда сигнала от светодиода, E t max =15 ГэВ Детектор готов к работе !
16 Формы импульса для каждого ряда, полученные путем облучения соответствующего ряда модуля адронного калориметра пучком электронов (50 ГэВ) перпендикулярно пластинам 25 нс LHCb HCAL: форма импульса ряд 1 ряд 2 ряд 3 ряд 4 ряд 5 ряд 6 Long detector +mirrors at fiber ends: several % of signal outside 25 ns careful time alignment is necessary for the LHC
17 LHCb HCAL: LED monitoring system Time alignment with LEDs. Goal: determine optimal ADC sampling time for each cell and LED flashing delays time alignment events: ADC sampling several (5) consecutive bunch crossings scanning over LED flashing time, determine optimal delay for each cell account for the difference in [signal cable delay + PM transit time] within each PM group illuminated by one LED using the PIN photodiode signal timing as a reference, we can perform time alignment between groups knowing the time of flight, calculate optimal ADC sampling time settings at HV change, correct using known PM transit time dependence BX i BX i+1