Design and benchmark of an innovative concept to measure light charged particles in the R3B/FAIR experiment using RPCs
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| Publication Date: | 2024 |
| Format: | Master thesis |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| Download full: | http://hdl.handle.net/10400.5/97324 |
Summary: | Tese de Mestrado, Engenharia Física, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
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Design and benchmark of an innovative concept to measure light charged particles in the R3B/FAIR experiment using RPCsResolução de momentoRPCCALIFAR3B/FAIRFísica de altas energiasTeses de mestrado - 2024Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de Mestrado, Engenharia Física, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasEste trabalho focou-se no comportamento de um detetor de Câmara de Placas Resistivas (RPC, do inglês Resistive Plate Chamber) em combinação com o calorímetro eletromagnético CALIFA para a experiência Reações com Feixes Radioativos Relativisticos (R3B, do inglês Reactions with Relativistic Radioactive Beams), localizada no FAIR, utilizando o R3BRoot como ferramenta de simulação e análise. R3BRoot é uma ferramenta essencial no FAIR que permite modelar e manipular simulações complexas. A análise deste trabalho está repartida em três partes: a primeira é focada na integração do calorímetro CALIFA na simulação e o seu efeito; a segunda parte adiciona um bloco de silício à RPC para melhor simular condições reais, onde existem dispositivos e cabos eletrónicos no caminho das partículas, que afetam as suas características, dispositivos estes essenciais ao funcionamento dos detetores; por último, a análise das resoluções da RPC, onde foi estudado a influência de diferentes resoluções para tempo e posição na reconstrução do momento. No fim juntou-se a influência do bloco de silício e o efeito das resoluções da RPC. Adicionalmente, foi feito um estudo para o conceito do Espetrómetro da linha de protões (PAS, do inglês Proton-Arm Spectrometer), utilizando RPCs como alternativa ao sistema pretendido inicialmente. As RPCs são um tipo de detetor gasoso utilizado em física de partículas e de altas energias para detetar a passagem de partículas carregadas. O seu funcionamento baseia-se no processo de ionização de gases onde, ao atravessar o gás, uma partícula carregada ioniza partes deste. O campo elétrico criado por duas placas resistivas paralelas cria uma avalanche de ionização, gerando um sinal elétrico que é captado por elétrodos posicionados nas placas. Devido à sua alta resistividade, a corrente resultante é mantida localmente permitindo uma ótima resolução na deteção da posição e do tempo de passagem da partícula tornando-as ideais para experiências que exigem medições rápidas e precisas. A integração do calorímetro CALIFA (CALorimeter for In-Flight detection of gamma-rays and high-energy charged pArticles) em conjunto com a RPC foi um dos primeiros objetivos deste trabalho. O CALIFA é essencial na experiência R3B, projetado para medir com precisão fotões de alta energia e partículas carregadas leves. Encontra-se posicionado antes do dipolo magnético GLAD e a envolver o local onde se coloca o alvo da experiência. Este calorímetro é composto por 2560 cristais de CsI(Tl), divididos em duas secções: o Barrel, cobrindo ângulos polares de 43º a 140º, e o Forward Endcap, de 7º a 43º. A escolha destes cristais deve-se à sua elevada densidade e eficiência de deteção, que são fundamentais para a absorção completa da energia das partículas. No entanto, existem partículas que são suficientemente energéticas e atravessam completamente os cristais do CALIFA, não sendo devidamente detetadas. Aqui entra a aplicação da RPC explorada neste trabalho. Ao colocar uma RPC por trás do CALIFA, é possível reconstruir o momento das partículas que o atravessam, utilizando a informação do seu tempo de voo medido na RPC. Este momento tem um desvio em relação ao momento original da partícula devido à presença do CALIFA. Na segunda parte introduziu-se um bloco de silício no modelo experimental, essencial para perceber de que forma a eletrónica associada ao CALIFA afeta a reconstrução do momento. Este bloco de silício foi utilizado para replicar as interações que as partículas carregadas teriam com materiais reais antes de alcançarem a RPC e o impacto destas nas partículas que o atravessam. A escolha do silício como material deve-se à sua densidade, semelhante à densidade média destes materiais eletrónicos. As simulações indicaram que a introdução do bloco de silício ajudou a replicar os efeitos de dispersão e perda de energia que seriam encontrados em condições reais, proporcionando uma base sólida para esta aplicação. Estas simulações mostraram que este bloco também introduz um desvio no momento reconstruído, mas é menos relevante que o desvio provocado pelo CALIFA. A resolução obtida foi semelhante à resolução do momento quando o bloco não está presente. A terceira e última parte concentrou-se na análise das resoluções temporais e de posição da RPC, que até então estavam a ser consideradas como ideais. Para fazer este estudo foi acrescentado pequenas variações temporais e espaciais nos valores obtidos. Realizou-se também um estudo mais detalhado para protões de 500 MeV/u utilizando uma matriz de resoluções e que permitiu avaliar as melhores combinações de resoluções de tempo e posição. A análise deste mapa indicou que a resolução de tempo desempenha um papel mais importante na determinação do momento das partículas, do que a resolução de posição, contudo é desafiante construir uma RPC em que a sua resolução temporal seja abaixo dos 50 picosegundos. Já a resolução espacial apresenta uma menor variação nos valores de resolução de momento e apenas valores de resolução espacial acima dos 3 cm resultam em valores de momento não tão desejados. Para quase todos os valores de resoluções estudados (resolução temporal entre 0 ps e 250 ps e espacial entre 0 cm e os 5 cm), a resolução em momento manteve-se abaixo dos 10% para as partículas estudadas. Para as energias e partículas restantes estudadas, a análise foi menos abrangente, mas os resultados obtidos reforçam a observação de que a resolução do tempo tem um impacto mais significativo na resolução do momento do que a de posição. Por exemplo, as partículas alfa, sendo cerca de quatro vezes mais massivas que os protões, exibiram um comportamento semelhante, apenas com um desvio em valor absoluto cerca de 0.5 a 1 pontos percentuais acima. O equilíbrio entre a resolução temporal e a resolução espacial é essencial para otimizar o desempenho do detetor, garantindo ao mesmo tempo que o sistema seja viável do ponto de vista prático e económico. Além deste estudo principal, foi também explorada a utilização de RPCs para o conceito do ProtonArm Spectrometer (PAS), um dos três braços principais da experiência do R3B, formando uma parte essencial da configuração experimental. O PAS é uma parte crítica para a deteção de protões e outras partículas carregadas leves com alta precisão posicionado após o GLAD. Originalmente, o PAS foi projetado para utilizar paredes de tubo de palha (do inglês Straw-Tube Walls (STW)), como uma contribuição da Rússia. Estes detetores estavam projetados para alcançar uma resolução de momento da ordem de 10−3, com uma resolução angular inferior a 1 mrad e uma precisão de posição abaixo dos 150 µm. Estas especificações são vitais para garantir que o sistema possa detetar com precisão as trajetórias das partículas em ambientes de alta energia, como aqueles encontrados no R3B. Contudo a contribuição russa deixou de ser viável, e portanto foi necessário arranjar uma solução alternativa. Para isso foi estudada a possibilidade de usar RPCs como conceito de deteção alternativo. A exploração de alternativas aos STWs levou à avaliação de três configurações utilizando fibras e RPCs: um setup apenas com fibras, uma combinação de fibras com RPCs e um setup apenas com duas RPCs. Neste trabalho são apresentados os resultados referentes à configuração com as duas RPCs com o principal foco na resolução em momento alcançada. As simulações foram feitas em ambientes de vácuo, hélio e ar e revelaram que o método de ajuste Multi-Dimensional (MDF) dependente do Tempo de Voo (ToF) ofereceu melhores resoluções de momento do que o método dependente da posição. No entanto, nenhum dos métodos alcançou o objetivo de resolução em momento de 0,1% para o PAS, com os melhores resultados do MDF dependente do ToF a atingirem 0,68%. O meio em que se realizou as simulações teve um papel significativo no método dependente da posição, sendon o ar o meio com o pior desempenho, enquanto o método dependente do ToF manteve-se robusto em diferentes ambientes. O design baseado em RPCs não foi selecionado para o PAS, optando-se antes por um setup de três planos de fibras, que demonstrou um desempenho superior, alinhando-se com os resultados originais dos tubos de palha. Em conclusão, o trabalho desenvolvido nesta dissertação ajudou a promover o desenvolvimento de tecnologias de deteção de partículas em física de altas energias, ao usar RPCs na experiência R3B.This work focused on analyzing the behavior of a Resistive Plate Chamber (RPC) detector for the Reactions with Relativistic Radioactive Beams (R3B) experiment at the Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR), utilizing the R3BRoot simulation framework. The study was divided into three main parts. Firstly, the CALIFA calorimeter was integrated into the simulations to assess its impact on the re constructed values of momentum in the RPC. Secondly, a silicon block was added to the RPC setup to better simulate real-world conditions where electronic components and cables influence particle trajec tories and characteristics. Lastly, the study examined the RPC’s time and position resolution limitations and their effects on momentum reconstruction accuracy. After this three steps, they were all combined and analyzed. These simulations revealed that CALIFA and the silicon block affected mainly the nominal value of the reconstructed momentum, adding an expected offset that can be corrected. As for the resolutions of the RPC, it worsens the momenta resolution. Time resolution plays a more critical role than spatial resolution in accurate momentum determination, with most configurations achieving momentum resolutions below 10% for the particles studied. Additionally, the research explored the concept of the Proton-Arm Spectrometer (PAS) by evaluating RPCs as an alternative to the originally proposed straw-tube detectors. The setup studied consisted of two RPCs. Results indicated that while RPC-based designs provided reasonable performance, they did not meet the momentum resolution requirements of PAS, leading to the selection of a configuration utilizing three fiber planes instead. The findings of this work contribute valuable insights into optimizing detector designs for high-energy physics experiments, ensuring precise and reliable measurements. This research supports ongoing ad vancements in particle detection technologies, enhancing the capabilities and accuracy of experiments conducted within the R3B.Redondo, Daniel GalavizRepositório da Universidade de LisboaMiguel, Diogo André Afonso2025-01-17T17:55:44Z202420242024-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.5/97324TID:203879139enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-17T16:32:11Zoai:repositorio.ulisboa.pt:10400.5/97324Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T04:18:31.276852Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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