Elektromagnetische Kalorimeter

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1 Elektromagnetische Kalorimeter Seminar: Experimental methods in nuclear and particle physics Seminarleiter: Prof. Dr. Ulrich Wiedner Betreuer: Dr. Thomas Held Referentin: Ronja Urch SoSe 2014

2 Inhaltsverzeichnis 1. Wozu dienen Kalorimeter? 2. Einsatzbeispiel: PANDA -Experiment 3. Physikalische Grundlagen 4. Typen von elektromagnetischen Kalorimetern 5. Homogene Kalorimeter 6. Photodetektoren 7. Beispiel: PANDA -Experiment 2

3 1. Wozu dienen Kalorimeter? Kalorimeter Teil eines Teilchendetektors Instrument zur Messung der Gesamtenergie von Teilchen Abbremsung der Geschwindigkeit des Teilchens auf Null Messsignal muss proportional zur Teilchenenergie sein 3

4 1. Wozu dienen Kalorimeter? Elektromagnetische Kalorimeter Energiemessung (hochenergetischer) e, e + und γ Bestimmung des Einschlagorts Spurdetektoren eignen sich für diese Teilchen nicht 4

5 2. Einsatzbeispiel: PANDA -Experiment PANDA (Anti-Proton ANnihilation at DArmstadt) Ziel: starke WW besser verstehen Was hält die Quarks untereinander zusammen? Welche Kombinationen aus Quarks gibt es? Existenz von den theoretisch vorhergesagten Glueballs und Hybridzustände? Kollision von schnellen Antiprotonen mit ruhenden Protonen Rekonstruktion der Teilchenenergie aller bei der Kollision entstehender Teilchen 5

6 3. Physikalische Grundlagen Wechselwirkung von Elektronen und Positronen mit Materie Bei hohen Energien Bremsstrahlung dominant Abb. 1: Wechselwirkung von Elektronen/Positronen mit Materie 6

7 3. Physikalische Grundlagen Wechselwirkung von Photonen mit Materie Bei hohen Energien Paarbildung dominant Abb. 2: Wechselwirkung von Photonen mit Materie 7

8 3. Physikalische Grundlagen vgl. Amsler (2007) Schauerbildung Hauptsächlich: Wechsel aus Paarbildung und Bremsstrahlung Anzahl der Teilchen nach t Schichten: N t = 2 t Energie jedes Teilchens: Abb. 3: elm. Kaskade E(t) = E 0 2 t Nur ein vereinfachtes Modell! 8

9 3. Physikalische Grundlagen Skizze einer elektromagnetischen Kaskade Abb. 4: elm. Kaskade 9

10 3. Physikalische Grundlagen Simulation einer elektromagnetischen Kaskade Elektronen (rot) Positronen (blau) Photonen (grün) Abb. 5: Simulation einer elm. Kaskade 10

11 3. Physikalische Grundlagen vgl. Kolanoski (2007) Abbruch der Kaskade, wenn die kritische Energie E k erreicht ist: Energieverlust durch Bremsstrahlung = Energieverlust durch Ionisation Es gilt: E k = E 0 2 t max t max = log 2 E 0 E k N max = 2 t max = E 0 E k N max wächst linear mit E 0, t max nur logarithmisch! 11

12 3. Physikalische Grundlagen vgl. Kolanoski (2007) Longitudinales Schauerprofil Beschreibung durch die empirisch ermittelte Formel: de dt = E 0 b α+1 Γ α+1 tα e bt (α, b: Fitparameter) 98% der Energie in der Länge: L 98% = 2,5t max X 0 20X 0 Strahlungsmaximum: t max = ln E 0 E k + 0,5; e u. e + +0,5; γ 12

13 3. Physikalische Grundlagen Vgl. Wiedner (2011) Beispiele für Strahlungslängen Die Größe des Kalorimeters ist von der Strahlungslänge abhängig! 13

14 3. Physikalische Grundlagen Longitudinales Schauerprofil Abb. 6: Longitudinales Schauerprofil 14

15 3. Physikalische Grundlagen vgl. Kolanoski (2007) Laterales Schauerprofil Hauptsächlich durch Compton Streuung von γ und Vielfachstreuung niederenergetischer geladener Teilchen Charakterisiert durch den Molière-Radius: R M = Beispiel: R M_Pb = 1,6 cm und R M_Al = 4,4 cm 90% im Zylinder um Schauerachse von 1 R M, 95% im Zylinder um Schauerachse von 2 R M, 21,2 MeV E k X 0 [cm] 99% im Zylinder um Schauerachse von 3 R M 15

16 3. Physikalische Grundlagen Laterales Schauerprofil Schauertiefe Abb. 7: Laterales Schauerprofil 16

17 3. Physikalische Grundlagen Longitudinale und laterale Schauerentwicklung: Abb. 8: Schauerentwicklung 17

18 4. Typen von elektromagnetischen Kalorimetern Sampling Kalorimeter (Sandwich Kalorimeter) Alternierend: Absorbermaterial zur Schauerbildung (z.b. Bleiplatten) und aktives Medium zum Schauernachweis (z.b. Plastikszintillatoren, flüssige Edelgase) Homogene Kalorimeter Nur ein Medium sowohl als Absorber und als auch als aktives Medium (z.b. PWO-Kristalle) Szintillatoren, Bleiglaszähler (Cherenkov-Licht) 18

19 3. Typen von elektromagnetischen Kalorimetern Vergleich: Sampling Kalorimeter / Homogene Kalorimeter vgl. Krammer (2005)(2) 19

20 5. Homogene Kalorimeter Homogene Kalorimeter in Form eines Szintillators Szintillatoren: organische Szintillatoren anorganische Szintillatoren 20

21 5. Homogene Kalorimeter vgl. Krammer (2005)(1) Organische Szintillatoren organische Kristalle, organische Flüssigkeiten, Plastikszintillatoren Anregung von Molekülzuständen Fluoreszenz (UV-Bereich) Häufig mit Wellenlängenschiebern (in den sichtbaren Bereich) gute Zeitauflösung schlechte Energieauflösung Deswegen sind sie für homogene Kalorimeter nicht gut geeignet. 21

22 5. Homogene Kalorimeter vgl. Krammer (2005)(1) Anorganische Szintillatoren anorganische Kristalle mit oder ohne Dotierung (Aktivator-Zentren), (Szintillierende Gläser, Edelgase) Aktivator-Zentren bewirken, dass sichtbares Licht emittiert wird gute Energieauflösung Abb. 9: Bandstruktur in anorganischen Kristallen 22

23 5. Homogene Kalorimeter vgl. Beringer, J. et al., 2013, S.18 Eigenschaften einiger anorganischen szintillierenden Kristalle 23

24 5. Homogene Kalorimeter Möglicher Aufbau eines Szintillationszählers Abb. 10: Aufbau Szintillationszähler 24

25 6. Photodetektoren Mögliche Arten an Photodetektoren Photomultiplier Vakuum-Photo-Triode, -Tetrode Photodioden 25

26 6. Photodetektoren Photomultiplier Abb. 11: Photomultiplier 26

27 6. Photodetektoren Vakuum-Photo-Triode, -Tetrode e e e e e Abb. 12: Vakuum-Photo-Triode Abb. 13: Vakuum-Photo-Tetrode 27

28 6. Photodetektoren Photodioden Entstehung einer Sperrschicht Abb. 14: Entstehung der Sperrschicht 28

29 6. Photodetektoren PIN-Diode Abb. 15: Funktionsweise PIN-Diode 29

30 6. Photodetektoren Avalanche-Photodiode (APD) Abb. 16: Elektrisches Feld im APD Abb. 17: Funktionsweise APD 30

31 7. Beispiel: PANDA-Experiment Aufbau des PANDA-Detektors Abb. 18: Aufbau des PANDA-Detektors 31

32 7. Beispiel: PANDA-Experiment vgl. Panda Collaboration (o. A.) Daten zum elektromagnetischen Kalorimeter 32

33 7. Beispiel: PANDA-Experiment Abb. 19: Elektromagnetisches Kalorimeter des PANDA-Detektors 33

34 7. Beispiel: PANDA-Experiment vgl. Krammer (2005)(2) Energieauflösung von Kalorimetern σ E E = a E b c E Schauerfluktuationen Kalibration Rauschen der Elektronik PANDA (PWO): CMS (PWO): Atlas (Pb/LAr): 1,54% E 2,7% E 10% E 0,3% (homogen) 0,55% (homogen) 0,7% (Sampling) 34

35 8. Literatur Amsler, C. (2007). Kern- und Teilchenphysik. Vdf Hochschulverlag, Zürich. Grupen, C. (1993). Teilchendetektoren. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Kolanoski, H. (2007). Detektoren in der Teilchenphysik. Vorlesungsskript (HU Berlin). Verfügbar unter [Letzter Zugriff: ]. Wiedner, U. (2011). Einführung in die Kern-Teilchenphysik I. Vorlesungsskript (Ruhr-Universität Bochum). Beringer, J. et al. (2013). Particle detectors 1. Verfügbar unter [Letzter Zugriff: ] Kleinknecht, K. (1984). Detektoren für Teilchenstrahlung. Stuttgart: B.G. Teubner. Kleinknecht, K. (1984). Detektoren für Teilchenstrahlung. Stuttgart: B.G. Teubner. Krammer, M. (2005)(1). Szintillatoren. Verfügbar unter VOSkriptum/VO-5-Szintillatoren.pdf [Letzter Zugriff: ] Krammer, M. (2005)(2). Kalorimeter. Verfügbar unter TALKS/DETEKTOREN/VO-6-Kalorimeter.pdf [Letzter Zugriff: ] 35

36 8. Literatur Panda Collaboration (o. A.). The PANDA Detector - Calorimetry. Zugriff unter [Letzter Zugriff ] 36

37 9. Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Abb. 2: Abb. 3.: Abb. 4: Abb. 5: Amsler, C. (2007). Kern- und Teilchenphysik, S.121. Vdf Hochschulverlag, Zürich. Amsler, C. (2007). Kern- und Teilchenphysik, S.125. Vdf Hochschulverlag, Zürich. Amsler, C. (2007). Kern- und Teilchenphysik, S.135. Vdf Hochschulverlag, Zürich. Grupen, C. (1993). Teilchendetektoren, S.292. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Richter, S. (2013). Kaskaden. Verfügbar unter /02/100GeVelectron3.png [Letzter Zugriff: ] Abb. 6: Abb. 7: Abb. 8: Abb. 9: Grupen, C. (1993). Teilchendetektoren, S.295. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Grupen, C. (1993). Teilchendetektoren, S.296. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Grupen, C. (1993). Teilchendetektoren, S.297. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Kleinknecht, K. (1984). Detektoren für Teilchenstrahlung, S.108. Stuttgart: B.G. Teubner. 37

38 9. Abbildungsverzeichnis Abb. 10: Abb. 11: Abb. 12: Abb. 13: Abb. 14: Pinks, M. et al. (2012). Szintillationszähler. Verfügbar unter plan_12_131/physik1/szzaehler.jpg [Letzter Zugriff: ] Jakobs, K. (2014). Photomultiplier. Zugriff unter [Letzter Zugriff: ] Kirchheim, D. (2011). Verstärkungsmessung von Vakuum-Photoröhren. Bachelorarbeit an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Experimentalphysik 1. Kirchheim, D. (2011). Verstärkungsmessung von Vakuum-Photoröhren. Bachelorarbeit an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Experimentalphysik 1. Universität Paderborn (2013). p/n-übergang. Zugriff unter [Letzter Zugriff: ] Abb. 15: Wikipedia(2014). Pin-Photodiode. Zugriff unter wikipedia/commons/thumb/f/f0/pin-photodiode.png/220px-pin-photodiode.png [Letzter Zugriff: ] 38

39 9. Abbildungsverzeichnis Abb. 16: Abb. 17: Abb. 18: Abb. 19: Wikipedia (2014). Averlanche-Photodiode. Zugriff unter [Letzter Zugriff ] Wikipedia (2014). Averlanche-Photodiode. Zugriff unter [Letzter Zugriff ] Panda Collaboration (o. A.). The PANDA Detector - Full View. Zugriff unter [Letzter Zugriff ] Panda Collaboration (o. A.). The PANDA Detector - Calorimetry. Zugriff unter [Letzter Zugriff ] 39

40 Ergänzung vgl. Amsler (2007) Energieverlust von e und e + durch Ionisation: de = K Z dx I A 1 β 2 ln γm e 2I β 2 δ 2 Die Bethe-Bloch-Formel ist für e und e + nicht gültig! Energieverlust von e und e + durch Bremsstrahlung: de = 4α3 N A Z ln dx B m 2 e A Z 1/3 E =: 1 X 0 (X 0 =Strahlungslänge) Z = Kernladungszahl A = Atomgewicht K = 4πLα2 m e β = v c α = Feinstrukturkonstante δ = Korrektur γ = 1 1 v c 2 N A = Avogradrozahl E = Energie des Elektron/Positron I = mittleres Ionisationspotential des Materials m e = Masse Elektron/Positron 40

41 Ergänzung vgl. Kolanoski (2007) Abbruch der Kaskade, wenn die kritische Energie E k erreicht ist: de dx I = de dx B Es gilt: E k = E 0 2 t max t max = log 2 E 0 E k N max = 2 t max = E 0 E k N max wächst linear mit E 0, t max nur logarithmisch! 41

42 Ergänzung Abb. 19: Aufbau des PANDA-Detektors 42