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. 1 2 3 4 5 E.V.D. van Loef et al, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1573 M. Moszynsky et al., Nucl. Instr. and Meth. A 505 (2003) 63. H. Álvarez Pol et al., Nuc. Instr. And Meth. A 533 (2004) 79 R. Santonico, R. Cardarelli, Nuc. Instr. And Meth. 187 (1981) 377 A. Blanco et al., Nuc. Instr. And Meth. A 485 (2002) 328