Towards the Ultimate Ge Array Ge Sphere Gamma Ray Tracking Compton - PowerPoint PPT Presentation

Nuclear Spectroscopy III Augusto O. Macchiavelli Nuclear Science Division Lawrence Berkeley National Laboratory Work supported under contract number DE-AC02-05CH11231.

Outline Introduction Concept of γ -ray tracking Proof of principle Segmented detectors Electronics Position reconstruction Towards a 4 π array: GRETA Expected performance GRETINA Status of the project Applications

Towards the “Ultimate” Ge Array � Ge Sphere � Gamma Ray Tracking � Compton Suppressed Ge sum Veto 1000 (summing) Ν = = 100 100 Ν = = 1000 Ν = = 100 100 ΝΩ ε = 0.1 ΝΩ ε = 0.6 ΝΩ ε = 0.6 Efficiency limited Too many detectors Segmentation

Towards the “Ultimate” Ge Array Pulse shape analysis in segments Tracking of photon interaction points è è 3D position of interaction points è è energy and position of γ -ray

Position sensitivity Anode (+V) Cathode (0V)

Position sensitivity

Technical Challenges Advances in Ge detector production • Segmentation size ~ 2 cm → 30-40 segment/crystal • Planar or irregular tapered hexagon shape Fast electronics • ADC with 10 nsec sampling rate, > 12 bit resolution Efficient algorithms • Signal analysis – position • Tracking – scattering sequence Computing power

Prototype detectors at LBNL PII PIII

Pre-Amps Eurisys PSC823 FET IF1320 Gain 200mV/MeV Rise Time ~40nsec Decay Time 50 µ sec Power 50mW Performance with detector: Energy resolution 1.15 keV Am 2.5 keV Co Noise level 5 keV (25MHz) Problem #1, 3

Electronics Digitizer module (LBNL) 14bit, 100 MHz Energy Leading edge time Constant fraction time Pulse shape ~7 keV FWHM

Signal Decomposition § Use the measured signal shapes from the segments – net charge and induced signal. § Compare with a library of (measured/ calculated) basis signal shapes of single interaction. § Determine the energy and position of interaction points. § Why is it hard? – Multiple interactions in one segment. – Multiple segment with net charge in a detector. – Computing intensive calculation.

§ Measured signals with multiple gamma ray hits (red), fitted with a linear combination of basis signals (blue) , using Grid search followed by least-square fitting. § The analysis gives (x, y, z, E) of the interaction points.

Position resolution • Collimated beam of 137 Cs 663 keV • Highest energy point from signal decomposition singles § σ x , y,z ~ 2 mm

Tracking first step – cluster finding Any two points with θ < θ p are grouped into the same cluster

Tracking E γ % ( ' * 1 E e = E γ 1 − ' * E γ ' * ( ) 1 + 0.511 1 − cos θ & ) Problem: 3!=6 possible sequences Assume: E γ = E e1 + E e2 + E e3 ; γ -ray from the source Sequence with the minimum χ 2 < χ 2 max è correct scattering sequence è rejects Compton and wrong direction

ε ~ 40% and P/T~ 55%

The G amma- R ay E nergy T racking A rray

• Efficiency ¡(~40% ¡at ¡ ¡1MeV) • 4 π Coverage ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡No ¡solid ¡angle ¡lost ¡to ¡Compton ¡suppression ¡shields. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Angular ¡distribuDons/correlaDons. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡High-­‑energy ¡efficiency ¡by ¡proper ¡summing ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡scaIered ¡ γ -­‑rays. ¡ ¡ Ke Key • PosiDon ¡resoluDon ¡(σ x,y,z ¡= ¡2 ¡mm) ¡ ¡ ¡ prope pr per(e r(es s ¡ ¡ ¡ ¡ ¡PosiDon ¡of ¡1 st ¡interacDon ¡-­‑-­‑> ¡Excellent ¡Doppler ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡reconstrucDon, ¡in-­‑beam ¡energy ¡resoluDon. ¡ ¡ • Peak-­‑to-­‑background ¡(~ ¡55%) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Tracking ¡-­‑-­‑> ¡Reject ¡parDal-­‑energy ¡events, ¡maintaining ¡good ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡spectral ¡quality. ¡ ¡ • PolarizaDon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Compton-­‑reconstructed ¡full-­‑energy ¡event ¡yield ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡polarizaDon ¡informaDon ¡ Problem #4

Evolution of Gamma-ray Spectroscopy Resolving Power Tracking

Gamma Ray Energy Tracking In beam Nuclear Array $20M Funded by US- DOE Nuclear Physics Office • A first realization of a Tracking Array Optimized for fast beam experiments • Coverage ∼ ¼ of 4 π solid angle • 28 36-fold segmented Ge crystals ( 7 Modules ) • Mechanical support structure • Data acquisition system • Data processing software

Geodesic tiling of the sphere 12 pentagons and … Number of Number of different hexagons hexagonal shapes 80 2 (20, 60) GS 110 3 (20, 30, 60) 120 2 (60, 60) 150 3 (30, 60, 60) AGATA 180 3 (60, 60, 60) 200 4 (20, 60, 60, 60)

Detector Modules (Canberra/France) A-type 36 segments/crystal B-type 4 crystal/ module 148 signal channels /module Cores Cold FETs Segments Warm FETs

AGATA ¡Demonstrator ¡ Courtesy of Dino Bazzacco

Electronics and DAQ System • Digitizer module Installed 62 nodes, 2 CPU/node, 4 core/ CPU 14bit, 100 MHz Energy • 50 TB of disk space CC: 2.5, 5, 10, 30 MeV S: 10 MeV Leading edge time Pulse shape EPICS 56 Nodes ≥ 20000 gammas/s

Position resolution • 11007 —Weisshaar, D. et al. Commissioning of GRETINA + S800 at NSCL Full Array 1.80 γ ¡rays ¡of ¡ 28 Si ¡at ¡v/c ¡= ¡0.38 ¡ (from ¡ 36 Ar ¡on ¡47 ¡mg/cm 2 ¡Be) ¡ ¡ϴ ¡[rad] ¡in ¡GRETINA 1.57 Measured FWHM of 1.00% In ¡GRETINA consistent with a spatial resolution of σ ≈ 2mm 1.35 1.12 0.90 0.67 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Energy ¡[keV] ¡(laboratory ¡frame) ¡ Energy [kev]

Efficiency and P/T: 60 Co source Singles Clustered Tracked 100000 100000 100000 P/T=22% Efficiency= 4.3% 14-Oct-14 20:36:15 43 14-Oct-14 20:35:49 7 14-Oct-14 20:36:02 53 P/T=40% Efficiency= 6.0% P/T=50% Efficiency= 4.7% 10000 10000 10000 1000 1000 1000 100 100 100 10 10 10 200 200 200 400 400 400 600 600 600 800 800 800 1000 1000 1000 1200 1200 1200 Nucle lear S Scienc nce

Tracking improves signal/background 64 Ge ¡populated ¡in ¡knockout ¡from ¡ 65 Ge Single ¡Crystals Tracked 2000 2000 1500 1500 Energy [keV] Energy [keV] 1000 1000 500 500 0 0 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡500 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1500 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2500 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡500 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1500 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2000 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2500 Energy [keV] Energy [keV] Reduc(on ¡of ¡Compton ¡background ¡by ¡tracking ¡allows ¡– ¡for ¡the ¡first ¡(me ¡– ¡gamma ¡spec spectr trosc scopy ¡with ¡f y ¡with ¡fas ast ¡ t ¡ beams ms ¡ ¡with ¡spectral ¡quality ¡comp mparable ¡ ¡to ¡ ¡arrays ¡ ¡with ¡ ¡an(-­‑ -­‑Comp mpton ¡ ¡shields. Nucle lear S Scienc nce

Physics campaigns: NSCL(2012/13) and ATLAS(2014/15) Nuclear ¡Shell ¡Evolu6on ¡ Nuclear ¡Astrophysics ¡ • ¡N=Z ¡Mirror ¡Spectroscopy ¡ • ¡Excita(on ¡energies ¡in ¡ 58 Zn ¡ ¡ • ¡Structure ¡in ¡ 221,223 Rn ¡ • ¡Measurement ¡with ¡the ¡(d,n) ¡ ¡transfer ¡reac(on • ¡50-­‑52 Ca ¡neutron ¡knock-­‑out ¡ • ¡GT ¡strength ¡distribu(ons ¡in ¡ 45 Sc ¡and ¡ 46 Ti ¡ • ¡Neutron-­‑rich ¡Ti ¡ • Mul(-­‑par(cle-­‑hole ¡states ¡in ¡ 34 P • ¡Odd ¡neutron-­‑rich ¡Ni ¡ • ¡Fast-­‑(ming ¡life(me ¡measurements ¡in ¡ 139 Ba ¡and ¡ 141 Ce • ¡Single-­‑neutron ¡states ¡and ¡the ¡role ¡of ¡the ¡vg 9/2 ¡ Collec6vity ¡ orbital ¡in ¡ 71 Zn • ¡Quadrupole ¡collec(vity ¡in ¡light ¡Sn ¡ • ¡34 Si ¡Bubble ¡nucleus? ¡ • ¡Transi(on ¡matrix ¡elements ¡in ¡ 70,72 Ni • ¡Neutron-­‑rich ¡Si ¡ • ¡γ-­‑γ ¡spectroscopy ¡in ¡neutron-­‑rich ¡Mg ¡ • ¡GRETINA ¡commissioning ¡ • ¡Neutron-­‑rich ¡C ¡life(me ¡measurement ¡ ¡ • ¡Neutron-­‑rich ¡N=40 ¡nuclei ¡ • ¡Collec(vity ¡at ¡N=Z ¡via ¡RDM ¡life(me ¡measurements ¡ ¡ • ¡Normal ¡and ¡intruder ¡configura(ons ¡in ¡the ¡Island ¡ • ¡B(E2:2→0) ¡in ¡ 12 Be ¡ ¡ of ¡Inversion ¡ • ¡71-­‑74 Ni ¡excited-­‑state ¡life(mes ¡ • ¡Inelas(c ¡excita(ons ¡beyond ¡ 48 Ca • ¡Triple ¡configura(on ¡coexistence ¡in ¡ 44 S ¡ ¡ • ¡Search ¡for ¡isovector ¡giant ¡monopole ¡resonance • ¡Shape ¡evolu(on ¡and ¡coexistence ¡in ¡the ¡Mo-­‑Ru ¡region • ¡Coulomb ¡excita(on ¡of ¡neutron-­‑rich ¡odd-­‑odd ¡ 98m Y • ¡Mul(-­‑step ¡Coulex ¡of ¡ 144,146 Ba ¡with ¡CARIBU • ¡Sub-­‑shell ¡closure, ¡proton-­‑neutron ¡symmetry ¡and ¡shape ¡ coexistence ¡in ¡ 98 Zr Heather Crawford