FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)

Characterization of Characterization of large frustum CsI(Tl) crystalslarge frustum CsI(Tl) crystals

for the Rfor the R33B CalorimeterB CalorimeterMartín Gascón

H. Alvarez, J. Benlliure, , D. Cortina, I. Durán Universidad de Santiago de Compostela, Spain

R3B Calorimeter

 The  calorimeter array will surround the R3B target, measuring both gammas (0.5­10 MeV in CoM) and protons (up to 300 MeV).

 Concerning gammas, it must fulfils two requirements: to provide the  ray multiplicities and their sum energy,  and  for other experiments, it must measure the individual ray energies for spectroscopic purposes. 

 On the other hand, the detector has to stop and measure the total  energy of energetic  light charged particles with good energy­resolution

 In order to ensure the nominal values of the requirements in all the angular domain, the polar angular segmentation and the thickness of the scintillation material will be optimize for separate angular regions. 

 New  accelerator facility in  Darmstadt (Germany)  p,stable and radioactive ion beams Primary intensity 1012 ions/s @ 2­30 GeV/u Good beam quality (cooling techniques)

CALIFA: A Calorimeter for in-flight emitted gammas and light charged-particles for R3B Experiment

Conclusions

Detector requirements (Technical proposal for the design of R3B - 2005)

CsI(Tl)  ­  13 cm long 

(1) FAIR  Project. www.gsi.de/fair/(2) R3B Technical Proposal. www­land.gsi.de/r3b(3) R3B Gamma Calorimeter  Development. Universidade de Santiago. www.usc.es/genp/

References

SORMA WEST 2008 – Symposium on Radiation Measurements and Applications.                   Berkeley,   California,   USA                        2­5 June, 2008SORMA WEST 2008 – Symposium on Radiation Measurements and Applications.                   Berkeley,   California,   USA                        2­5 June, 2008

 R3B is a versatile experimental setup for full kinematics studies of exotic beam reactions at relativistic energies ( ~700 MeV/nucleon in the   laboratory system) 

4 s is a trade­off  between  loss of energy­resolution 

 and avoiding pile­up effects. 

Best values  are obtained between 20 and 50  seconds

depending  on the counting rate.

CsI(Tl) Crystals TestsCsI(Tl) Crystals Tests

We observe important differences between the light collection non uniformity and  energy resolution for the two samples coming from  the same provider.

The samples offering the “best records” in the visual inspection evaluation are not necessary correlated with the best values for light collection non uniformity and energy resolution.

 The best results in energy resolution are related with  low light collection non uniformity. We can establish an accepted threshold of  light collection non uniformity  around 2 % (this point is being evaluated with light collection simulations). 

A 13 cm long  crystal,   ESR (VM2000) wrapped , coupled to an APD, inside the Faraday Box for test purposes 

 Best and worst cases ( gain adjusted to match the 

same photopeak channel)

Experimental setup

Bias-voltage dependence Shaping time

Non-Uniformity in Light Output

FAIR and R3B experimentFAIR and R3B experiment

M  E  A  S  U  R  E  M  E   N  T  S

Energy resolution

Ten  crystals samples from five manufacturers have been tested. P1­P2­P3­P4­P5  labels the different  manufacturers and (S1­S2) correspond to different  samples from each provider.

CsI(Tl) Crystals TestsCsI(Tl) Crystals Tests

Bi-frustum crystal coupled to a LAAPD

Photopeak position  vs. bias voltage

for a particular detection system 

Acquisition time

Energy resolution as a function    of the bias voltage

Sample TranspP1-S1 B B B Y 1,5 9,3P1-S2 M B B Y 4,5 6,8P2-S1 G M G Y 2,2 6P2-S2 E M G Y ---- 6,8P3-S1 M M B N ---- 8,3P3-S2 M M B N 2,3 6,6P4-S1 B M M N 1,8 6,5P4-S2 B M M N 4,3 7,7P5-S1 E G G Y ---- 7,3P5-S2 E G G Y 10,4 8,7

Cuttingedge

Surface Mech. tolerances

LONonU (% )

Best DE/E (%)(γ-ray 662 keV)

 

 LOmax/min stands for the highest/lowest  

photopeak­channel LOave is the average of  all the 

recorded LO values.

ProviderP1 1,1/4,5P2 2,2/---P3 ---/ 2,3P4 1,8 / 4,3P5 ---/10,4

G (%) S1/S2

 Light­output non­uniformity for different crystal  samples. 

ProviderS1 S2

P1P2P3P4P5

E/E %  (optimal shapping­time) 

9,3 (3µs) 6,8 (4µs)6,0 (4µs) 6,8 (6µs)8,3 (3µs) 6,6 (4µs)6,5 (4µs) 7,7 (4µs)7,3 (4µs) 8,7 (4µs)

Average energy resolution ( @ 662 keV)  for  crystals from different providers

Summary of results obtained within this work. B stands for bad, M for moderate, G for good and E for excellent. Y and N 

corresponds to those samples with dimensions  respecting  the SS­ ISO 2768­1m standard.

Non­uniformity ( best and worst cases )

Next Steps

Simulation of the detector response  with a light production, transport and collection program (Litrani)  to  optimize the crystal geometry 

To perform in beam measurements with a  prototype

20x10 mm2  S8664­1010 APD from Hamamatsu  

Energy resolution vs .photon energy measured with Co­60, Cs­137 and Bi­207radioactive sources 

Tests ofTests of