Estudio y desarrollo de un calorímetro y un detector de

Estudio y desarrollo de un calorímetro y un detector
de tiempo de vuelo para el experimento R3B de FAIR
(GSI, Darmstadt).
H. Alvarez-Pol, J. Benlliure, E. Casarejos, D. Cortina, I. Durán, M. Gascón,
N. Montes, D. Pérez-Loureiro
Dpto. Física de Partículas, Facultad de Física, Universidad de Santiago. 15782, Santiago de Compostela.
INTRODUCCIÓN
R3B es un dispositivo experimental versátil, de alta eficiencia, aceptancia y resolución, con el
que se estudiarán reacciones en cinemática inversa inducidas por núcleos exóticos a energías
relativistas, con especial énfasis en el estudio de la estructura y dinámica nuclear de los mismos.
El nuevo separador
de fragmentos
(Super-FRS) de FAIR
(Darmstadt,
Alemania) permitirá
seleccionar como
proyectiles haces
de iones exóticos a
energías de hasta 1
GeV/nucleón. El
sistema
experimental,
mostrado en la
Figura 1. Montaje experimental R3B.
figura 1, estará
formado por una serie de detectores de haz, de vértice y de las trayectorias de las partículas
emitidas en la reacción y que estén dentro de la aceptancia de un imán dipolar.
El grupo GENP de la USC participa en el experimento R3B, realizando el diseño y construcción de
dos detectores: el Calorímetro Gamma de Absorción Total, CALIFA, (CALorimeter for In-Flighemitted gAmmas) y el Detector de Tiempo de Vuelo (ToF-Wall).
DESCRIPCIÓN DEL CALORÍMETRO CALIFA.
Las reacciones de interés que se consideran dentro del
programa de R3B requieren realizar tanto medidas de
espectroscopía gamma como calorimetría de absorción total,
midiendo en cada reacción la multiplicidad y la energía suma
de los gamma emitidos. La reconstrucción de la energía en
centro de masas requiere, tanto del uso de centelleadores
con muy alta resolución en energía como de la determinación
precisa del ángulo polar de emisión de los rayos gamma,
corrigiendo, de esta manera, el efecto Doppler.
Atendiendo a los resultados de simulaciones previas y a las
características de los gammas emitidos (desplazamiento y
Figura 2. Vista artística de los
ensanchamiento de Doppler), proponemos la construcción de centelleadores del CALIFA
un calorímetro compuesto por cristales que subtiendan un
ángulo polar con la suficiente segmentación para que la corrección por efecto Doppler introduzca
un error en la energía inferior al 2% (). El conjunto (figura 2) se divide en dos subconjuntos
independientes (un barril central con un endcap a bajo ángulo polar), azimutalmente
segmentados a su vez en módulos. Con este detector se espera una eficiencia del 80% hasta
energías (laboratorio) de 15 MeV, manteniendo resoluciones por debajo del 5% (FWHM) para los
gamma y del order del 1% para protones.
La resolución energética exigida es muy alta (∆E/E≈3%, FWHM), lo que hace necesario el estudio
y prueba de diferentes materiales (LaBr3[Ce]1, LaCl3[Ce], CsI puro2, CsI[Tl], ...) que tienen muy
buenas resoluciones energéticas, optimizando el procedimiento de lectura y análisis de la luz de
los centelleadores. De los diferentes cristales considerados para la construcción del calorímetro,
se han realizado ya pruebas con CsI(Tl), utilizando para ello lecturas con fotomultiplicadores y
fotodiodos de avalancha de gran area (LAAPD).
DESCRIPCIÓN DEL ToF-WALL DE RPCs
El objetivo del proyecto R3B es implementar un dispositivo experimental versátil para el estudio
de reacciones con haces radioactivos a energías relativistas en cinemática inversa completa,
esto es, todos los productos de la reacción han de ser completamente identificados. Uno de los
detectores de este proyecto es un muro de tiempo de vuelo de partículas cargadas para medidas
de fisión y espalación. El detector ha de presentar una
resolución temporal tal que isótopos de masa A≈200
puedan ser separados; así como que la probabilidad
de identificación de impactos múltiples y simultáneos
sea máxima.
En la cinemática inversa, los fragmentos emitidos en
la fisión de un proyectil a 600 MeV/u tienen una
apertura angular de ~50 mrad, por lo que,el área
necesaria para cubrir toda la región angular es de 1 m
de diámetro para una distancia de 10 m del blanco o
de 1,5 m para 15 m de distancia. La resolución en
masa necesaria para identificar los productos de fisión
es de 3·10-3. La resolución temporal necesaria para la
identificación es de ToF=26 ps (FWHM ≈ 60 ps) para
una distancia de 15m.
Figura 3. Modelo del detector de tiempo de vuelo
diseñado para R3B. Se pueden ver uno de los
planos de detección constituido por 8 módulos.
Para la construcción de este detector, se han considerado el uso de RPCs (Cámaras de placas
resistivas, en inglés). Aunque las RPCs son intrínsecamente más rápidas que los centelleadores
(tiempo de subida de las señales ≤ 200 ps), muy poco de sabe acerca del comportamiento de
estos dispositivos con iones pesados3, pues la mayoría de
los detectores de este tipo han sido diseñados para
partículas mínimamente ionizantes. Las RPCs4 son
detectores gaseosos con cámaras de planos paralelos. El
uso de electrodos resistivos trabajando en modo de
autoextinción de la avalancha, les confiere propiedades
muy útiles para la medida de tiempos con extraordinaria
precisión. Esta solución ha sido utilizada en detectores de
grandes dimensiones5 alcanzando resoluciones del orden
Figura 4. Vista transversal de un módulo.
de TOF<60 ps.
Se pueden distinguir los tres planos de
vidrio y uno de los electrodos sobre el PCB.
Basándonos en estos principios, proponemos un muro para la medida de tiempo de vuelo
constituido por 3 planos de detección, rotados 120º unos respecto de otros, mejorando así la
resolución alcanzada en un factor 3 , obteniendo una resolución total de TOF≈30 ps (figura 3).
Cada plano estará formado por 8 módulos; cada módulo es una RPC con unas dimensiones de
100x26 cm2, formando así una superficie de 1,5x1,5 m2. Dichos módulos constan de tres placas
de vidrio, separadas 0,3 mm cada una por un separador de hilo de nylon. Los ánodos están
depositados sobre una placa de PCB (Placa de circuito impreso, en ingles) y segmentados en
tiras de 5 cm de anchura. Esto aumenta la probabilidad de identificación de impactos múltiples,
reduciendo así a menos de un 6% la pérdida de sucesos válidos (ver figura 4). Las señales
inducidas en las tiras anódicas son leídas a ambos lados de la RPC, de modo que a partir de la
diferencia se puede determinar la posición de la partícula que ha atravesado el detector y así
corregir el tiempo de vuelo, mejorando de este modo la resolución temporal.
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