Calibrazione dei sensori di temperatura dei cristalli del calorimetro elettromagnetico per l’esperimento FOOT

FOOT is a Nuclear Physics experiment whose aim is to measure cross sections for the processes of nuclear fragmentation occurring in the interactions between the incoming particle beam and the target. Since the experiment arises from the need of collecting data for applications in adrontherapy and therefore the improvement of current therapeutic plans, the particles and the target used in the experiment are the ones of interest for these treatments and the energy involved is in the characteristic range of particle therapy (100-400 MeV/u). The experimental setup allows to reach also higher energies (800-1000 MeV/u) collecting useful data for radioprotection of astronauts involved in long term space missions. More particularly the thesis focuses on the calibration of temperature sensors of the BGO crystals which are part of the electromagnetic calorimeter, needed for the measure of the kinetic energy of the fragments produced in the beam-target interaction. To reveal scintillation photons produced in the crystals SiPMs are used: their gain depends on temperature, that therefore must be monitored during the data acquisition. Specifically, the temperature calibration has been performed placing two modules (structures containing nine crystals each) at a time in a climatic chamber: for each couple of modules the data acquisition has been repeated for different temperatures, from 22.5 ℃ to 50.0 ℃ with a 2.5 ℃ step, for a total of twelve repetitions. Every data acquisition lasted 116 minutes with 4 minutes between each measure. The voltage values measured by temperature sensors have been represented as a function of time and fitted with proper curves, from which later plateau values have been extrapolated: these values show the thermal equilibrium reached between the crystals and the environment inside the climatic chamber. At the end, using the Steinhart-Hart formula the relation between voltage and temperature has been found, completing the calibration procedure.

FOOT è un esperimento di Fisica Nucleare che si propone di misurare sezioni d’urto relative ai processi di frammentazione che intercorrono nelle interazioni tra il fascio di particelle incidenti e il bersaglio. Dal momento che l’esperimento nasce dalla necessità di raccogliere dati per applicazioni all’adroterapia e il conseguente miglioramento dei piani terapeutici attuali, le particelle e i bersagli utilizzati nell’esperimento sono quelli di interesse per tali trattamenti e l’energia dei fasci incidenti è quella caratteristica della terapia con particelle (100-400 MeV/u). L’apparato sperimentale permette anche di lavorare con energie superiori (800-1000 MeV/u) raccogliendo dati utili per applicazioni alla radioprotezione degli astronauti impegnati in missioni spaziali di lunga durata. Nello specifico, il lavoro di tesi svolto si concentra sulla calibrazione dei sensori di temperatura dei cristalli di germanato di bismuto (BGO) costituenti il calorimetro elettromagnetico, necessario per la misura dell’energia cinetica dei frammenti prodotti nelle interazioni fascio incidente-bersaglio. La risposta dei SiPM impiegati per rivelare i fotoni di scintillazione prodotti nei cristalli ha una dipendenza dalla temperatura, che quindi deve essere monitorata nel processo di misura. In particolare, la calibrazione in temperatura dei sensori è stata effettuata inserendo due moduli (strutture contenenti ciascuna nove cristalli) alla volta in una camera climatica dove sono state effettuate 12 acquisizioni dati per ciascuna coppia di moduli, da 22.5 ℃ a 50.0 ℃ con passo di 2.5℃, ciascuna della durata di 116 minuti con misurazioni ogni 4 minuti. I valori di tensione letti dalle termocoppie sono stati rappresentati in funzione del tempo e interpolati con opportune curve, dalle quali poi sono stati estratti i valori di plateau, che individuano l’equilibrio termico raggiunto tra i cristalli e l’ambiente interno alla camera climatica. Infine, attraverso la funzione di Steinhart-Hart è stata trovata la relazione tra tensione misurata e temperatura completando la calibrazione.