Адронный калориметр эксперимента LHCb

1. Адронный калориметр эксперимента LHCb Ю. Гуз (ИФВЭ) устройство характеристики светодиодная система мониторирования система калибровки источником 137Cs текущее состояние

2. LHCb HCAL Основное назначение адронного калориметра LHCb– выработка триггера L0 на адрон с высоким поперечным импульсом: • Требования: • скорость (цикл 25 нс) • рад. загрузка: ~100 krad/год вблизи пучка • ограниченный размер по глубине (между ECAL и мюонной системой) • 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 137Cs, а также система мониторирования на основе светодиодов.

3. пучок spacers сцинтиллятор спектросмещающие волокна смеситель master plate ФЭУ LHCb HCAL : структура структура железо-сцинтиллятор, ориентированная вдоль направления пучка (TileCal): Главные пластины (master) 6 мм Проставки (spacers)4 мм сцинтиллятор3 мм Шаг структуры: продольный 200 мм поперечный20мм 6 секций в продольном направлении (~6 λI): при высоких энергиях заметная утечка ливня в продольном направлении (что не влияет на качество выработки триггерного решения)

4. LHCb HCAL : структура 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% ) • Спектросмещающие волокна: KURARAY Y11(250)MS Ø1.2 mm • Длина затухания ~ 3.5 м • Время высвечивания τD ~ 7 нс • рад. стойкость: ~ 500 крад • концы волокон алюминизированы • компенсация затухания: длиной оптического контакта

5. 2 независимые сборки по 26 модулей наподвижных платформах • размер: 8.4 x 6.8 х 1.54 м3 • длина чувствительной области: 120 см • вес ~500 т. • размер ячейки: 262.6x262.6мм2(внешняя зона), 131.3 x 131.3 (внутренняя) • 1488 ячеек (608 внеш. + 880 внутр. ) LHCb HCAL Модуль: поперечный размер 4201х262 мм2;16 внешних или 8 внеш + 32 внутр ячеек Вес ~9.5 тонн

6. LHCb HCAL: фотоприемник • ФЭУ: HAMAMATSU R7899-20 • Модификация R7899, специально для LHCb • бищелочной фотокатод, рад. стойкое УФокно (185-650 нм) • QE 15% на 520 нм • 10 динодов • линейность ±2% • темновой ток: < 2.5 нА • макс. ток анода: 100 мкА • Эффект загрузки: < 1% при токе анода > 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 137Cs калибровки. Параметры укорачивающей цепи оптимизированы для сигнала от адронов

7. LHCb HCAL: основные характеристики (тесты на пучке 1999-2003) Световыход (с R7899-20): ~105 ф.э./ГэВ ~3% угловая зависимость на высокой энергии: утечка ливней

8. LHCb HCAL: регистрирующая электроника • Регистрирующая электроника: • “dead timeless”: на выходе аналоговой обработки – интеграл входного сигнала запредшествующие 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 насветодиодах • синий светодиод (WU-14-750BC, Wustlich) • два независимых светодиода на модуль • регулируемая амплитуда импульса • каждый светодиод мониторируется индивидуальным PIN фотодиодомдля учета возможной нестабильности • разводка света прозрачными волокнами одинаковой длины • задержка запускающего импульса светодиода подстраивается с шагом 1 нс

10. LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs 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 (137Cs, ~ 10 мКи) измеряется средний ток ФЭУ 188 8-канальных плат интеграторовустановлены рядом с ФЭУ. 4 диапазона: {0.3, 1.5, 9, 50} мкА; время интегрирования ~ 1.5 ms; 12 бит АЦП Считывается независимо от основнойсистемы сбора данных LHCb «Гараж» капсула

11. LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs Источник движется с постоянной скоростью (20..30 см/с)  зависимость тока от временипри прохождении источникачерез ряд пластин I(t)представляется в виде взвешенной суммы (эмпирически полученных) функций отклика, расположенных с одинаковым интерваломΔt: При сборке детектора каждый модуль проходил тест 137Cs: требовалось, чтобы отклики всех пластин ячейки лежали в пределах ±20% I, отсчеты АЦП ci (пропорциональны световыходу каждой сцинт. пластины) При калибровке используется сред-нее значение тока по всем 6 рядам пластин t, мс

12. LHCb HCAL: калибровочная система 137Cs Точность калибровки137Cs изучалась в тестах на пучке: калибровкина 137Cs и 50 ГэВπ―согласуются на уровне 2-3% . Внешняя зона Внутренняя зона Измерено отношение чувствительностей к137Cs 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 калибровкизависит также от характеристик «быстрой» электроники: разброса чувствительностей каналов, точности временнόй привязки, ...

13. LHCb HCAL: настройка высокого напряжения I, nA Номинальный режим (PHYSICS):для удобства вычисления ET – чувстви-тельность пропорциональна расстоя-нию до оси пучка. Принято, что максимальный входной сигнал АЦП будет соответствовать ETmax=15 ГэВ , триггер ET >3.5 ГэВ COSMICS: одинаковая чувствитель-ность Emax≈80 ГэВ , триггер E >1.5 ГэВ Ожидаемые анодные токи HCAL, нА при светимости L=2·1032 cm-2s-1, HV соответствует ETmax=15 GeV, Анодный ток в ФЭУ адронного калориметра будет непрерывно мониторироваться в ходе приема данных: независимая информация об относительной светимости, дозах, …

14. Установка модулей на платформы в зоне эксперимента: май-июль 2005 • Запуск систем высоковольтного питания, светодиодной калибровки, интеграторов, гидравлики перемещения капсулы, ... – 2006-2007 • Установка и запуск регистрирующей и триггерной электроники : 2007 • Начало работы на космическом излучении: ноябрь 2007 • Первый сеанс калибровки 137Cs: июль 2008 В настоящее время: • > 99.8% каналов работоспособны, откалиброваны, настроены по задержкам • Регулярно проводятся сеансы137Cs 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 LHCb HCAL: состояние HCAL Июль 2005

15. LHCb HCAL: состояние “Окончательная”калибровка 137Cs:проведена 09/11/2009. 4 прохода источника для получения регулировочных кривых ФЭУ A, ADC cnts I, nA 2 неисправных средний ток ФЭУ при калибровке 137Cs, номинальный режим (Etmax=15 ГэВ) Средняя амплитуда сигнала от светодиода, Etmax=15 ГэВ Детектор готов к работе !