r&d on scintillating crystals for the r b...

11
H. Alvarez Pol - R&D on Scintillating crystals for the R 3 B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28 th  Oct.- 3 rd  Nov. 2007 R&D on scintillating crystals for the R  3 B Calorimeter H. Alvarez Pol , J. Benlliure, E. Casarejos, D. Cortina, I. Durán, M. Gascón GENP, Dpto. Física de Partículas, Universidade de Santiago de Compostela  Index:  FAIR and the R 3 B experimental setup  A Calorimeter for R 3 B: CALIFA  Crystal tests  Realistic prototypes  Conclusions

Upload: others

Post on 06-Aug-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

R&D on scintillating crystals for the R 3B Calorimeter

H. Alvarez Pol, J. Benlliure, E. Casarejos, D. Cortina, I. Durán, M. Gascón

GENP, Dpto. Física de Partículas,  Universidade de Santiago de Compostela 

  Index:✔ FAIR and the R3B experimental setup✔ A Calorimeter for R3B: CALIFA✔ Crystal tests ✔ Realistic prototypes✔ Conclusions

Page 2: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

About FAIR, the Super­FRS and R3B

FAIR Accelerator Facility (Facility for Antiproton and Ion Research) next to GSI @ Darmstadt, Germany✔ New superconducting synchroton double ring (SIS 100/300, 1100 m circunference, magnetic rigidities 100/300 Tm)✔ Ion beams with highest beam intensity and higher energies✔ Experimental programs include Nuclear Structure and Matter, Plasma Physics, Atomic Physics, Antiproton research, ...✔ Super­FRS separates in­flight rare isotopes with extraordinary phase­space acceptance, from projectile fragmentation or fission

http://www.gsi.de/fair/index_e.html

http://www.gsi.de/forschung/kp/kp2/collaborations/R3B

R3B (Reactions with Radiactive Relativistic Beams):✔ Beam, proton and fragment ToF & tracking detectors✔ Calorimeter / gamma spectrometer ✔ Silicon arrays around target for recoils✔ Large acceptance superconducting dipole ✔ High resolution neutron detectors✔ Challenging research program including knockout, astrophysical interest reactions, QFS, fission, ...

Page 3: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

The R3B Calorimeter: CALIFA

The Calorimeter requirements (R3B LoI, 2005) comprise:✔ A total absorption efficiency of about 80% up to E = 15MeV Lab✔ A gamma energy resolution of  E

CoM/E

CoM ~ 3% (FWHM)

✔ A proton energy resolution better than 1% (FWHM) up to 300 MeV✔ A gamma multiplicity: (N)/<N> < 10%✔ A gamma sum energy: (E

sum)/<E

sum> < 10%

✔ Reasonable cost! 

But note the particular kinematics due to the relativistic incoming beams:✔ The Lorentz boost shifts the gammas energy up to x3 in forward direction (at 700 MeV /n, and even more at larger energies) ✔ The gamma CoM energy reconstrucion depends strongly on geometry, in particular on the polar angle resolution ()✔ A large granularity  [ (), variable with  ]  is requested!✔ An enhanced forward emission, peaked around 30 degrees (~0.82)

E(emitter) = 700 MeV/n [= 0.82]

...then, the R3B Calorimeter should feature:✔ A sufficient granularity in  for a reasonable gamma CoM energy reconstruction; a  granularity for a suitable crystal shape ✔ An adapted crystal lengths at different polar angles✔ A compact size, no gaps to increase the efficiency, no escape lines from target without crossing active detector ✔ A small number of different crystal types, with optimal design

Page 4: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

The R3B Calorimeter CALIFA: technical design

Strong points in the crystals and calorimeter design:✔ A granularity ensuring a low geometrical contribution to E

CoM/E

CoM (< 3%)

✔ Only five different shapes of crystals for the full Barrel region✔ The shape minimizes space between crystals and escape lines from target✔ Features a variable length with polar angle for an improved efficiency✔ Terminated for the Hamamatsu on­purpose made LAAPD (10x20 mm2)✔ Assymetric, triedrum corner for simplified construction and measurements✔ About 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel✔ Design (v5.0, Barrel region) completed, prototypes under construction

Page 5: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Test on CsI(Tl) crystals. Experimental setupExperimental setup, highlights:✔ CsI(Tl) is a reasonable and relatively cheap option✔ Hamamatsu APDs QE matches CsI(Tl) emission wavelength

Experimental setup for the presented (next) results:✔ CsI(Tl) crystals from St. Gobain (France) ✔ Hamamatsu LAAPD S8664­1010 and S8664­55✔ Camberra 2001A preamp + Ortec 572 Amplifier, other elec. chains tested (Ortec142 + Canberra 2022, Cremat CR110,...)✔ A black grounded Faraday box, with humidity control and temperature monitorization  (0.1C resolution)✔ Other tests with API UV and different with Photonis PMs, different electronics and crystals from other providers... 

Wavelength (nm) Wavelength (nm) LAAPD HAMAMATSU S8664-1010

Wavelength (nm)

CsI(Tl) emission wavelength

How do energy resolution behave with crystal length?

LAAPD Quantum efficiency and

Photosensibility

Page 6: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Test on CsI(Tl) + LAAPD: optimization

CsI(Tl) optimization tests on :✔ Wrapping ✔ Optical coupling✔ Amplifier shaping time and gain✔ LAAPD bias voltage✔ Temperature and voltage dependence tests (ongoing)

What is measured on the CsI(Tl) tests? ✔ Energy resolution✔ Crystal non­uniformity

137Cs (662 keV)

Page 7: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Test on CsI(Tl) crystals; energy resolution

Energy resolution Crystal sizeShapping time 1 cm 5 cm 10 cm

4 s 4.68 0.12 5.11 0.12 4.74 0.128 s 4.42 0.12 4.87 0.09 4.72 0.08

Energy resolution Crystal sizeShapping time 1 cm 5 cm 10 cm

4 s 4.98 0.12 5.22 0.09 5.17 0.098 s 4.68 0.12 5.02 0.12 4.90 0.09

Energy resolution Crystal sizeShapping time 1 cm 5 cm 10 cm

--

4 s 4.57 0.08 5.22 0.098 s 4.41 0.10 4.99 0.11

Best results for CsI(Tl) coupled to S8664­1010 Ham. APD

Mean results for CsI(Tl) coupled to S8664­1010 Ham. APD

Best results for CsI(Tl) coupled to SD630­70­73­500 AP APD

Energy resolution tests conclusions:✔ Very good energy resolution, results comparable (or better) than those available in the literature✔ Low energy threshold, below 20 keV for most cases✔ Quite independent of the electronic chain✔ Energy resolution (%, FWHM) behaves nicely as √E  

137Cs (662 keV)

Several radioisotopes

Page 8: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Test on CsI(Tl) crystals: non uniformity

Non uniformity tests:✔ Setup using 5 cm lead blocks, 5 cm apart from the crystal✔ In these figures, tests on 10 cm long crystal from St. Gobain ✔ G = (LO

max­LO

min)/LO

med between 3% and 17%

✔ Different values for crystals (sometimes shape), even from the same provider and requesting the same quality✔ Additional test required for the prototypes (realistic crystal size)✔ Non homogeneity specification essential to the company contracts. Impact on crystal price!

G = 16.7% 

G = 9.6% 

Page 9: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Prototype construction

Crystals from different providers have been obtained, ready for the tests:✔  IMP Lanzou, China✔  Hilger Crystals Ltd., England✔  St. Gobain Crystals Inc., France✔  Scionix, Netherlands

LAAPD development (Hamamatsu) based on S8664­1010 series:✔ First phase: double S8664­1010 sensor on a circuit, gap < 2 mm between sensors✔ Second phase: single 10x20 mm2 sensor on ceramic mounting✔ Ready 5 units (first phase) for immediate tests at TU­Darmstadt (tagged gammas up to 20 MeV, very good resolution), Madrid and Upssala (protons)

Page 10: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

Conclusions

... in short:✔ CsI(Tl) with LAAPD is well suited for our application✔ The energy resolution fulfills requirements, even for larger crystals✔ The crystals non­uniformity seems to be a very important point✔ Full­equiped prototypes are ready for test in gamma and proton beams

More information available:

http://www.usc.es/genp/r3b

Page 11: R&D on scintillating crystals for the R B Calorimeterfpsalmon.usc.es/r3b/talks/CalR3B_NSS07.pdfAbout 3000 crystals, close to 1 Tm of CsI(Tl) only in the Barrel Design (v5.0, Barrel

H. Alvarez Pol ­ R&D on Scintillating crystals for the R3B Calorimeter      Nuclear Science Symposium, Honolulu, 28th Oct.­ 3rd Nov. 2007

The R3B Collaboration

Around 200 scientists from more that 50 institutions in 18 countries: