1

Medida de las Eficiencias Relativas y Monitorización de las Ganancias de los Fotomultiplicadores del Detector RICH

de AMS-02

Cristina de la Guía Cristina de la Guía

David Crespo David Crespo

Cristina de la Guía Cristina de la Guía

David Crespo David Crespo

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Estudio de la naturaleza y composición de los RC Estudio de la abundancia relativa de los isótopos de

núcleos ligeros

Búsqueda de Antimateria Búsqueda de Materia Oscura Estudios de Astrofísica

OBJETIVOS CIENTÍFICOS AMS:

Medidas múltiples e independientes son requeridas:

Medidas |Z| con: Tracker, RICH, TOF.

Momento y Signo de carga Z medido en tracker (8 puntos).

Velocidad medida en TOF, RICH.

Separación Hadrón/electrón en TRD, ECAL

RICH (Ring Imaging Cherenkov)

Radiador: aerogel de sílice (n=1.05) y NaF (n=1.334).

Plano de detección: conjunto de 680 fotomultiplicadores Hamamatsu R7600-00-M16 (4x4 píxeles/canales).

Reflector: capa reflectiva de 100 nm de aluminio y 300 nm de SiO2. Reflectividad del 85% a =420 nm

Objetivo: Medida de la velocidad con una precisión ~0.1%/Z y de la carga hasta Z=26

60 cm60 cm

67 cm67 cm

46.8 cm46.8 cm

)(

1cos

n

EL RICH DE AMS-02

4

stat

sys: ~1%-2%.

Contribuyen distintas incertidumbres

Medimos Eficiencias

Calibramos/ monitorizamos Ganancias

Cálculo de Z

stat sys

NNexp exp

(Z=1)(Z=1)

5

MEDIDA DE LAS EFICIENCIAS RELATIVAS DE LOS

FOTOMULTIPLICADORES DEL RICH DE AMS-02

6

Objetivo PrincipalObjetivo Principal::

Medida de la Medida de la eficiencia relativaeficiencia relativa para la detección para la detección de luz de cada fotomultiplicador del plano de de luz de cada fotomultiplicador del plano de detección.detección.

Estudiar viabilidad del método con un módulo Estudiar viabilidad del método con un módulo principal del plano de detección.principal del plano de detección.

Procedimiento:Procedimiento:Iluminamos con la misma cantidad de luz a todos los PMTIluminamos con la misma cantidad de luz a todos los PMT

y calculamos la luz detectada por los PMTy calculamos la luz detectada por los PMT

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HV Fuente de alto voltaje

REJILLA_G

8

Obtención de la Eficiencia:Obtención de la Eficiencia: Rango de fotón único.Rango de fotón único.

Cálculo del número medio de Cálculo del número medio de

fotoelectrones por canal.fotoelectrones por canal.

9

Cálculo de la EficienciaCálculo de la EficienciaObtención del número medio de fotoelectrones ( Obtención del número medio de fotoelectrones ( ) )

Estadística de Poisson: Estadística de Poisson:

Pr = ( e-Pr = ( e- rr ) / r! ) / r!

PP00 = ( e- = ( e- ) ; ) ;

PP00= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos;= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos;

EstimadorEstimador: : i=1,16 i=1,16 ii

MetodologíaMetodología::Cuatro dispositivos que iluminan siempre Cuatro dispositivos que iluminan siempre los 16 canales con la misma cantidad de los 16 canales con la misma cantidad de luz.luz.

10

Repetibilidad de la medida de la luz proporcionada por cada dispositivo. Es capaz de repetir la medida mejor que el

2%.

< 1%

EstabilidadEstabilidadTemporalTemporal

RepetibilidadRepetibilidad

Dispersión del número medio de fotoelectrones en diferentes momentosEficiencias Relativas

RMS:5.8%

11

Plano de detección es uniforme dentro del 5-6 % Las medidas han sido incorporadas a la base de datos.

Eficiencias Relativas de Detección para el plano de

detección del RICH

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MONITORIZACIÓN DE LAS GANANCIAS DE LOS

FOTOMULTIPLICADORES DEL RICH DE AMS-02

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Plano de detecciónPlano de detecciónDetección de los anillosDetección de los anillos

CherenkovCherenkovReconstrucción de la Reconstrucción de la

velocidad y de la cargavelocidad y de la carga

FotomultiplicadoresFotomultiplicadoresVariación de la Variación de la

gananciagananciaFactores ambientales:Factores ambientales: variación variación de la temperatura (entre -20 ºC y de la temperatura (entre -20 ºC y +30 ºC => -0.4%/ ºC en ganancia +30 ºC => -0.4%/ ºC en ganancia

Vibración despegue: Vibración despegue: puede puede afectar a la geometría dínodos.afectar a la geometría dínodos.

Largo plazo:Largo plazo: envejecimiento envejecimiento fotomultiplicadores.fotomultiplicadores.

Incertidumbre en Determinación de la Carga

- Conocer la ganancia de los canales con una precisión mejor que el 10%

No existe un sistema de calibración independiente para el RICH en vuelo

Se necesita desarrollar un sistema de monitorización y calibración utilizando los sucesos registrados

MOTIVACIÓN

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MONITORIZACIÓN (caso nominal)MONITORIZACIÓN (caso nominal)

1)1) Simulación de protones para un tiempo de toma de datos equivalente a 1 órbita (90 Simulación de protones para un tiempo de toma de datos equivalente a 1 órbita (90 minutos).minutos).

2)2) Reconstrucción de las variables físicas asociadas al RICH (velocidad y carga.)Reconstrucción de las variables físicas asociadas al RICH (velocidad y carga.)

3)3) Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal).Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal).

4)4) Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones.Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones.

Señal

es s

elec

cion

adas

85%

ADC PedCarga

Ganancia

Media = 1

Anchura = 0.03 (precisión en la determinación de la ganancia)

15

MONITORIZACIÓN (caso realista)MONITORIZACIÓN (caso realista)

1)1) Simulación de sucesos con ganancias modificadas para 90 minutos (variación Simulación de sucesos con ganancias modificadas para 90 minutos (variación realista)realista)

2)2) Reconstrucción de la velocidad y carga a partir de las ganancias nominales.Reconstrucción de la velocidad y carga a partir de las ganancias nominales.

3)3) Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal).Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal).

4)4) Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones.Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones.

Carga media ≡ Factor de corrección Gan. reajus. = Factor de correción x Gan. nominal

20%Ganancia

ΔGanancia

10%Sesgo Media = 1

Anchura = 0.064

Ganancias reajustadas (1ª aproxima.)

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CALIBRACIÓN (método iterativo)CALIBRACIÓN (método iterativo)

GANANCIA NOMINAL

CRITERIOS DE SELECCIÓN

FACTOR DE CORRECCIÓN

GANANCIA CORREGIDA

CRITERIO DE CONVERGENCIA

GANANCIA REAJUSTADA

SÍ

NO

Sesgo tiende a 0

Precisión: 2.3 veces peor en 1 órbita (amplificación estadística).

MÉTODO ITERATIVO (3 órbitas)MÉTODO ITERATIVO (3 órbitas)

estaesta: error estadístico: error estadístico

sistsist: error sistemático del algoritmo: error sistemático del algoritmo

La precisión sigue un comportamiento La precisión sigue un comportamiento puramente estadístico (3.8% para 270min)puramente estadístico (3.8% para 270min)

El error sistemático es consistente con 0El error sistemático es consistente con 0

22

sistesta

t t

Se necesita acumular estadística durante 5 órbitas para recuperar la precisión inicial.

PROCEDIMIENTO GENERAL DE PROCEDIMIENTO GENERAL DE GALIBRACIÓN GALIBRACIÓN

Monitorización ganancias cada órbita

Variación G > 3%

NO

Marcar canal

SÍ

Sí se aplica la calibración

No se aplica la calibración

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CONCLUSIONES

20

Medida de las eficiencias relativas

Se ha determinado la Se ha determinado la eficiencia relativa eficiencia relativa de detecciónde detección de los fotomultiplicadores de los fotomultiplicadores del RICH.del RICH.

La La precisiónprecisión de las medidas obtenidas de las medidas obtenidas está dentro del 2%, por lo que no se está dentro del 2%, por lo que no se espera una contribución significativa a la espera una contribución significativa a la incertidumbre en la medida de la carga.incertidumbre en la medida de la carga.

Se ha probado la Se ha probado la viabilidadviabilidad del método del método con una rejilla y ha sido aplicado al resto con una rejilla y ha sido aplicado al resto del plano de detección. del plano de detección.

Las medidas obtenidas para todo el plano Las medidas obtenidas para todo el plano de detección son de detección son uniformesuniformes dentro del 6%. dentro del 6%.

21

Monitorización de las ganancias

Se ha desarrollado un método de Se ha desarrollado un método de monitorización y calibración de las monitorización y calibración de las ganancias de los fotomultiplica-dores ganancias de los fotomultiplica-dores utilizando los sucesos registrados.utilizando los sucesos registrados.

El algoritmo propuesto proporciona una El algoritmo propuesto proporciona una determi-nación de las ganancias de los determi-nación de las ganancias de los canales individuales con una precisión del canales individuales con una precisión del 3%.3%.

La monitorización de la respuesta de los La monitorización de la respuesta de los canales individuales se realiza utilizando la canales individuales se realiza utilizando la muestra acu-mulada a lo largo de 1 órbita muestra acu-mulada a lo largo de 1 órbita (90 min).(90 min).

La identificación y calibración de canales La identificación y calibración de canales con variaciones significativas de ganancia con variaciones significativas de ganancia requiere la muestra equivalente a 5 órbitas.requiere la muestra equivalente a 5 órbitas.

22

OTRAS OTRAS DIAPOSITIVASDIAPOSITIVAS

23

Diploma Estudios Diploma Estudios AvanzadosAvanzados

Cristina De La Guía, CIEMAT Cristina De La Guía, CIEMAT 2323

Detección de

Calorimetro :

Conversión :Detección de

pares e+e- en el Tracker

2424

TRD (Detector radiación de transición ) Separación e± de p < 10-2-10-3 en 10-300 GeV

ToF (Tiempo de Vuelo)1º y 2º planoVelocidad v, dE/dX, fast trigger

Imán Superconductor

( 0.86 T)

Tracker de Silicio8 x-y planos con resolución 10/30m, dE/dXdeterminación de P y carga

RICH (Ring Imaging Cerenkov Counter)

Precisión en medida - separación isótopos, Z

ECAL (Calorímetro Electromagnético)Separación e± de p < 10-3-10-4

Peso Total: ~ 6 tons; Poder Consumición: ~2 kW.

ACC veta partículasque entran de abajo a arriba

ToF 3º y 4º plano

Star TrackerMide orientación de AMS en espacio

25

Diploma Estudios Diploma Estudios AvanzadosAvanzados

Cristina De La Guía, CIEMAT Cristina De La Guía, CIEMAT 2525

Mínima cantidad de materia que atraviese hasta ECAL

Larga duración (3 años). Aceptancia de 0.5 m2 sr. Alta estadística

Medida velocidad / = 0.1 % distinguir: 9Be,10Be, 3He,4He isótopos.Rigidez R= pc/|Z|e (GV) de 0.5 TV yFactor de Identificación Antihelio/Helio 10-10

Medidas múltiples e independientes son requeridas:Medidas |Z| con: Tracker, RICH, TOF.Signo de carga Z medido en tracker (8 puntos).Velocidad medida en TOF, RICH.Separación Hadrón/electrón en TRD, ECAL

Características:

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Diploma Estudios Diploma Estudios AvanzadosAvanzados

Cristina De La Guía, CIEMAT Cristina De La Guía, CIEMAT 2626

Estudio señales en intensos ruidos (backgrounds)Reducir cantidad de material atravesadoRepetidas medidas de la carga y velocidad

Condiciones Operacionales en Shuttle y en ISS niveles radiación y condiciones vacío :

-60º y 40ºVibraciones cambios aceleraciónmasa < 6TConsumir < 2 KW

Diseño:

27

PM= 7.8%

Fabricante (Hamamatsu) nos da

valores eficiencia cuántica

con una dispersión:

ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE PMT A PMT

Es necesario medir la eficiencia de detección PMT a PMT.

Nesp=7

stat=0.21

PM= 7%

Zmax=19Necesitamos:

PM<5%

Existen otros factores que influyen en la eficiencia de detección:

Eficiencia guías ópticas

Contacto óptico

28

Repetibilidad de la medida de la luz proporcionada por cada dispositivo. Es capaz de repetir la medida mejor que el 2%.

Estabilidad/repetibilidad: Dispersión del número medio de fotoelectrones en diferentes momentos

< 1%

Medidas eficiencias tomadas

por un dispositivo RMS 4.5%

29

spe : resolución del PMT, para detectar

un sólo fotoelectrón; es ~50%.

EXP : incertidumbre sistemática que afecta a todo el

anillo detectado; es ~1%-2%. Incertidumbres a nivel del canal: CH; es < 10% Calibración ganancias

Incertidumbres a nivel del PMT: PM Medida Eficiencias

Cálculo de Z

Stat Sys

30

Obtención de los Estimadores:Obtención de los Estimadores: Rango de fotón único.Rango de fotón único.

Cálculo del número medio de Cálculo del número medio de

fotoelectrones por canal.fotoelectrones por canal.

31

Cálculo de los EstimadoresCálculo de los EstimadoresObtención del número medio de fotoelectrones ( Obtención del número medio de fotoelectrones ( ) )

Estadística de Poisson: Estadística de Poisson:

Pr = ( e-Pr = ( e- rr ) / r! ) / r!

PP00 = ( e- = ( e- ) ; ) ;

PP00= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos;= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos;

EstimadorEstimador: : i=1,16 i=1,16 ii

MetodologíaMetodología:: Un dispositivo que ilumina siempre los 16 Un dispositivo que ilumina siempre los 16 canales con la canales con la misma cantidad de luz.misma cantidad de luz.

Tenemos 4 dispositivos de Tenemos 4 dispositivos de medida medida

4 análisis independientes4 análisis independientes