du Jefferson Lab, Hall A Optique des HRS H.Fonvieille LPC-Clermont 22 octobre 2009

Complete analogie entre Optique Geometrique et Optique Magnetique spectrometre ensemble d'instruments optiques trajectoire de partic.chargee rayon lumineux module de l'impulsion longueur d'onde “Central Ray” axe optique Dipole Prisme Quadrupole lentille surface focale surface focale

prisme lentille

focalise en horiz, defocalise en vertic.

une trajectoire de particule chargee au point de vertex est caracterisee par cinq variables: - un module d' impulsion P, ou encore  = (P-P 0 )/P 0 avec P 0 = impulsion centrale - deux angles projetes,  et  dans les plans XoZ et YoZ. - la coordonnee transverse, y, sur l'axe horizontal - la coordonnee transverse, x, sur l'axe vertical le “central ray” est la traj.telle que delta=0, theta=phi=0,y=0, x=0. Tout ceci est dans le repere du spectrometre. (“TCS frame” dans note de Nilanga Liyanage). n.b. on ne connait pas le Z d'origine de la particule, mais seulement son point de passage dans le plan XoY. Les variables-cible

Les reperes “spectro” et le repere du Hall: N.B. l'origine des 3 reperes est en principe la meme. Dans la pratique ce n'est pas exact. il a ya des petits decalages (offsets) de type “mispointing” -- en principe mesures par des “surveys” et autres appareils dans le Hall. (traj.) (beam)

Variables caracterisant une trajectoire dans le repere SPECTRO: (vertic.) theta = P_x / P_z (horiz.) phi = P_y / P_z (ne sont pas des angles mais des tangentes d'angle (cf. papier NIM du Hall A).)

Q1 Q2 D Q3 : - Dipole pour avoir une bonne dispersion - dipole a champ non uniforme pour avoir un plan focal (“clam shell dipole”, or dipole with field index) - quadrupoles pour focalisation et angle solide autre exemple: Mainz Hall A1: 1 spectro= clam dipole 1 spectro= Q S D D

Caracteristiques des HRS

ou est le plan focal du HRS ??? but: plan focal dans 1er des 4 plans de chambre (VDC). Ainsi la mesure de position dans cette chambre donne l'impulsion (delta) avec la meilleure precision possible. (pas de bras de levier pour la diffusion coulombienne multiple, juste la resolution des chambres a drift).

(these de Gilles QUEMENER) Dans le plan focal une trajectoire est caracterisee par 2 coordonnees (x_fp, y_fp) et deux angles projetes (theta_fp et phi_fp). (repere “FCS” dans note Nilanga L.).

Combien vaut la dispersion? (c'est un terme de la matrice optique au 1er ordre). elle vaut D= 12 cm par pourcent. i.e. 2 trajectoires differant de 1% en impulsion atteignent le plan focal en deux points distants de 12 cm le long de l'axe “x” (dispersif). 2 traj. differant de 0.01% en impulsion auront des x_fp distants de 0.12 cm=1.2 mm. cette valeur est >> a la resolution en position des VDC (~ 100 microns, --> en principe 1.e-5 de resolution en impulsion). mais un facteur important de degradation est la diffusion coulombienne multiple (dans fenetre de sortie apres Q3 et les VDC) d'ou finalement, plutot 10-4 de resolution en impulsion.

Matrice optique (1er ordre) disp. et non-disp. sont decouplees !

L'optique au 1er ordre des HRS - on a une optique “point-point” si, a x_tg et delta fixes, la coordonnee x_fp ne depend pas de l'angle theta_xtg. - on a une optique “point-parallele” si, a x_tg et delta fixes, l'angle theta_xfp ne depend pas de l'angle theta_xtg. - on a une optique “parallele-point” si, a theta_xtg et delta fixes, la coordonnee x_fp ne depend pas de x_tg. Optique des HRS: “point-point” en dispersif, mixte dans le plan non-dispersif.

L'optique complete: un TENSEUR (memo Nilanga).

Chaque variable a la cible: ( delta, theta, y, phi )_tg est donnee par une fonction polynomiale des 4 variables dans le plan focal. quant a x_tg (coordonnee verticale a la cible) elle n'est pas donnee par l'optique; mais par la position verticale du faisceau, mesuree evenement/evenement par les BPM. la connaissance de x_tg permet de faire des petites corrections sur le calcul des 2 autres variables dispersives: delta et theta_tg. N.B. dans le cas d'une cible etendue (p.ex. cible d'hydrogene de 15 cm de long) et un faisceau sans Raster, les particules qui sont emises avec un angle vertical non-nul, ont toutes un x_tg non-nul (sauf pour un vertex exactement au centre de la cible). C'est pourquoi la correction d'optique due a x_tg est parfois appelee “correction de cible etendue”.

Contenu d'une database (partie optique) certains elements doivent etre nuls a cause de la mid-plane symmetry. OK pour HRS-E, pas OK pour HRS-H.

Optimisation de la database optique : commissioning du Hall A. database optique peu precise, “starting point” donne par la connaissance theorique du champ magnetique dans les aimants. (John Lerose). - les elements de la database optique dependent de l'impulsion (800 MeV/c ---> 4 GeV/c). il a fallu plusieurs annees pour etablir de bonnes optiques a chaque impulsion. (VCS E93050: nos propres DB a 2, 3, et 3,5 GeV/c). - les offsets (plan focal): a re-determiner chaque fois que les detecteurs ont bouge... chaque manip: fait des runs de calibration (sieve-slit, foils, QE,...) pour pouvoir calibrer l'optique.

Sieve-slit (collimateur a trous a 1.1m de la cible) sieve-slit run: on connait le (theta,phi) des trous. --> CONTRAINTE: le (theta,phi) des particules reconstruites en utilisant la Database optique doit coincider avec les valeurs des trous. on ajuste ainsi les elements “T” et “P” du tenseur (par une minimisation de chi2).

Feuilles minces on connait la position en Z des feuilles, donc en y_tg aussi. --> CONTRAINTE: le (y_yg) des particules reconstruites en utilisant la Database optique doit coincider avec les valeurs des feuilles. on ajuste ainsi les elements “Y” du tenseur.

optimisation des elements “D” (delta) - possible sur des donnees de diffusion de type elastique a 2 corps, on utilise la correlation entre angle et impulsion des particules emises. - plutot en diffusion quasi-elastique sur une cible mince de carbone. cible mince pour eviter DCM QE: l'impulsion depend peu de l'angle de diffusion. (et: deplacer la correlation (angle-impulsion) dans l'espace de phase du spectro). (mais sujet peu connu pour moi).

Resolutions obtenues (en RMS) : sur deltap/p: sur theta_tg: sur phi_tg: sur y_tg: (angle le plus important pour theta_scatt). 1 mr, plus les effets syst. --> 2 mr 2.5e-4 pour le central ray, 4.e-4 sur les bords 1 mr (HRS-E), 2 mr (HRS-H). plus les effets systematiques (offsets) qui amenent a 3mr. (var.importante pas pour la cinematique mais pour eliminer BdF ou connaitre un point de vertex.) 1 mm (HRS-E), 2 mm (HRS-H).

Article NIM de l'instrumentation du Hall A, J.Alcorn et al., NIM A522 (2004) 294. Note technique de N.Liyanage “Optics calibration of the Hall A HRS using the new optimizer” (2002) Cours d'optique magnetique: P.Vernin, dans l'Ecole Joliot-Curie Et aussi la These de Julie Roche (VCS a MAMI). Mes memos sur : 1) le type d'optique des HRS, 2) l'etude de resolution obtenue pour les databases optiques de l'experience VCS E Mapping et optique des HRS: these de Gilles Quemener (UBP, 1997). Etude d'acceptance des HRS: these de Stephanie JAMINION (UBP, 2000). Quelques References :