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1 G as E lectron M ultiplier Pavia, 28 giugno 2006 Seminario di Silvia Franchino Principi di funzionamento ed alcune applicazioni dei rivelatori.

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1 1 G as E lectron M ultiplier Pavia, 28 giugno 2006 Seminario di Silvia Franchino Principi di funzionamento ed alcune applicazioni dei rivelatori

2 2 Sommario: 1) Principio di funzionamento dei rivelatori GEM e multi-GEM 4) Studio di alcuni fattori che influenzano le prestazioni dei rivelatori a multi-GEM 3) Possibilità di impiego 2) Caratteristiche dei rivelatori a GEM

3 3 Materiale isolante rivestito da entrambe le parti da un sottile foglio metallico e "bucato" (attraverso tecniche litografiche) con una matrice regolare ad alta densità di fori (50-100/mm 2 ) Geometria tipica: supporto isolante: 50 µm Kapton, foglio conduttore: 5 µm Cu, diametro fori: 70 µm, distanza 140 µm 70 µm 140 µm G as E lectron M ultiplier - GEM

4 4 70 µm 55 µm 5 µm 50 µm i fori visti da vicino Geometria standard Doppio-Conica rivestimento di rame supporto di kapton sezione trasversale

5 5 --GEM all'interno di un rivelatore a geometria piana, come elemento di amplificazione; simulazione di moltiplicazione a valanga linee di campo elettrico --Gradiente di potenziale ai capi del GEM; -- le linee del campo elettrico sono concentrate all'interno dei fori e viene raggiunto limite per la moltiplicazione a valanga -- gli elettroni rilasciati nella zona di deriva da una particella ionizzante derivano all'interno dei fori del GEM, subiscono il processo di moltiplicazione a valanga e vengono trasferiti sull'elettrodo di lettura; --Sono ottenuti guadagni di 10 4 in regime proporzionale e con le comuni miscele di gas. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO dei rivelatori a gas con amplificatori GEM 3mm 1-2 mm

6 6 Ideati da Sauli nel 1996 alta frequenza di conteggio (>10 5 mm -2 s -1 ) eccellente risoluzione spaziale ~60 μm rms, 1mm 2D buona capacità di imaging (possibilità di segmentazione 2D dell'elettrodo di lettura) possibilità di operazione in campo magnetico date le piccole dimensioni della zona di deriva area sensibile molto elevata geometria flessibile CARATTERISTICHE: basso costo riduzione della probabilità di scariche mettendo in cascata più elementi (multi-GEM) indipendenza tra zona di moltiplicazione e zona di lettura del segnale

7 7 SEGNALE ELETTRICO VELOCE il segnale è dovuto solamente al contributo degli elettroni; NO segnale ioni --> risoluzione temporale molto buona possibilità di impiego per alte frequenze di conteggio S1S2S3S4 Induction gap e - I+I+ Ar-CO

8 8 I GEM presentano stabilità di guadagno anche per alte frequenze di conteggio Le camere proporzionali a multifili (MWPC) hanno il problema della carica spaziale causata dagli ioni Confronto della stabilità di guadagno di GEM e MWPC

9 9 multi GEM

10 10 Geometria di rivelatori a multi GEM: GEM Triplo elettrodo di lettura GEM 1 GEM 2 GEM 3 catodo GEM Doppio elettrodo di lettura GEM 1 GEM 2 catodo La tensione è suddivisa tra gli elettrodi per mezzo di un partitore resistivo. cascata di due o più GEM all'interno dello stesso gas 3mm 1-2 mm

11 11 ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM: 1) guadagni più elevati (10 7 ) con tensioni più basse su ogni elemento 2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle

12 12 S. Bachmann et al, Nucl. Instr. Meth. A479 (2002) 294 Probabilità di scarica << TGEM rispetto a GEM singolo dipendenza del limite di scarica dalla tensione, non dal guadagno il guadagno massimo aumenta di circa un ordine di grandezza per ogni elemento di moltiplicazione che si aggiunge

13 13 ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM: 1) guadagni più elevati (10 7 ) con tensioni più basse 3) riduzione del ritorno verso il catodo di ioni e fotoni 4) alti guadagni (10 5 ) in gas nobili puri anche ad alta pressione 2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle 5) possibilità di rivelazione di fotone singolo con ottima risoluzione temporale (ns) riduzione aging

14 14 Possibilità di impiego: 1) tracciatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b, COMPASS, LHC- b, TOTEM) 2) rivelatori di end-cup per camere a proiezione temporale (TPC)

15 15 TOTEM

16 16 TPC vantaggio rispetto alla normale TPC: gli ioni sono catturati sul GEM --> riduzione dei tempi morti

17 17 Possibilità di impiego: 1) rivelatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b, COMPASS, LHC-b, TOTEM) 3) rivelatori "non aging" operanti con miscele di gas nobile puro 2) rivelatori di end-cap per camere a proiezione temporale (TPC) 4) rivelatori criogenici per ricerca di neutrini e materia oscura 5) rivelatori di neutroni 6) imaging per scopi medici

18 18 IMAGING 2-D: possibilità di impiego di rivelatori a multi- GEM nel campo della medicina

19 19 Lettura del segnale catodo -- segmentando l'anodo con strip in direzioni diverse --> letura 2D -- gli elettrodi di lettura sono a potenziale di terra -- possibilità di una rapida lettura del segnale indotto sull'elettrodo inferiore del GEM per eventuale trigger

20 20 HEXABOARD U V W Pad esagonali (diametro 500 μm) interconnesse lungo tre direzioni a 60°

21 21 Risoluzione spaziale di due eventi simultanei: circa 1mm Ricostruzione di eventi simultanei

22 22 IMAGING 2-D 500 µm Figura di assorbimeto di raggi X da 8KeV attraverso una maschera forata, ricostruita attraverso le due proiezioni X, Y di un piano d lettura cartesiano

23 23 Radiografia di un pipistrello effettuata con raggi X da 8 KeV 32 mm dimensioni pixel: 50x50 μm 2

24 24 Possibilità di impiego: 1) rivelatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b COMPASS, LHC-b, TOTEM) 7) fotomoltiplicatori a gas con amplificatore GEM 3) rivelatori "non aging" operanti con miscele di gas nobile puro 2) rivelatori di end-cup per camere a proiezione temporale (TPC) 4) rivelatori criogenici per ricerca di neutrini e materia oscura 8) RICH 6) imaging per medicina 5) rivelatori di neutroni

25 25 FOTOMOLTIPLICATORE A MULTI-GEM

26 26 impiego nei RICH possibile utilizzo in campo magnetico possibilità di rivelazione di singoli fotoelettroni sensibile alla posizione molto rapido insensibile alla direzione di incidenza del fotone

27 27 Processi fisici nel fotomoltiplicatore a GEM: riduzione di QE rispetto ai PM a vuoto se i fotoni e gli ioni ritornano sul fotocatodo provocano impulsi ritardati, aging carica dell'isolante ed instabilità di guadagno (aumenta E,G) limite alla riduzione della distanza tra i fori pregio dei multi-GEM: cattura di ioni sull'elettrodo impulsi ritardati, scariche. Limitazione al G max

28 28 FOTOCATODO SEMITRASPARENTE FOTOCATODO RIFLETTENTE Per evitare il ritorno di fotoni sul fotocatodo si sta studiando una alternativa: il fotomoltiplicatore a fotocatodo riflettente Riduce effetti dovuti al ritorno di fotoni sul catodo Più pratico da fabbricare Area attiva ridotta dalla presenza dei fori (80%) Effetto dannoso degli ioni sul fotocatodo Maggiore QE rispetto al fotocatodo semitrasparente

29 29 Trasferimento degli elettroni necessario valutare con cura questi aspetti soprattutto per la rivelazione di singoli fotoelettroni efficienza di trasferimento: rapporto tra numero di elettroni focalizzati all'interno dei fori del GEM e quelli raccolti sull'elettrodo superiore 1) geometria dei fori del GEM ( diametro, spaziatura ) 3) configurazione del campo elettrico da entrambi i lati del foglio GEM 2) processi di trasporto degli elettroni nel gas (diffusione trasversale: funzione di P, tipo di gas, intensità campo elettrico nel volume di deriva) efficienza di collezione: rapporto tra numero di elettroni che vengono raccolti sull'elettrodo di lettura e quelli catturati dall'elettrodo inferiore del GEM PERDITA Di ELETTRONI Guadagno Effettivo = / Guadagno reale: non considerando le perdite di elettroni sull'elettrodo inferiore

30 30 l'efficienza di estrazione decresce ber bassi valori del campo di trasporto a causa della peggiore capacità di estrazione degli elettroni dal lato inferiore del GEM L'efficienza di trasferimento decresce per alti valori del campo di deriva a causa della defocalizzazione delle linee di forza del campo elettrico fuori dai fori Studi di efficienza al variare del campo elettrico: Configurazione ottimale: bassi campi elettrici nella zona di deriva e alti campi all'uscita del GEM

31 31 Linee di campo simulate con GARFIELD S. Bachmann et al, Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier Nucl. Instr. and Meth. A438(1999)376 basso campo di deriva alto campo di trasporto Con questa configurazione di campi elettrici tutte le linee di campo dal volume di deriva entrano nei fori del GEM --> efficienza di trasferimento ~ 100% qui gli elettroni sono persi

32 32 Operazione in campo magnetico S. Bachmann et al, Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier Nucl. Instr. and Meth. A438(1999)376 B perpendicolare alla direzione di deriva con opportuna scelta dei campo elettrici è ancora possibile ottenere una buona efficienza di trasferimento

33 33 Valuazione di G al variare del diametro dei fori Il guadagno aumenta notevolmente al diminuire del diamtro dei fori effetti di saturazione: raccolta di elettoni sull'elettrodo inferiore del GEM quando diametro < spessore foglio di GEM

34 34 Comportamento diverso tra gas nobili pesanti e leggeri: V cresce molto lentamente aumentando P He, Ne raggiungono guadagni elevati (10 5 ) pechè le loro tensioni di lavoro sono << di quelle dei gas pesanti P dipendenza E/P Pressione ideale per ogni gas nobile per cui il rivelatore multiGEM raggiunge un G max P>3atm: Vmax cessa di aumentare per i gas nobili pesanti. Diversità rispetto ai gas molecolari operazione di multigem in gas nobili ad alta pressione

35 35 Studio del meccanismo di moltiplicazione a valanga in gas nobili ad alta pressione in un rivelatore 3-GEM Confronto tra i coeficienti di Townsend misurati ad alta pressione (α H ) e quelli disponibili in letteratura (α L ), misurati a bassa pressione 2) come valore di campo elettrico si considera quello simulato al centro del foro E GEM =63KV/cm per un ΔV GEM =500V Hp: 1) la moltiplicazione procede in campo uniforme all'interno del foro del GEM e per una ampiezza pari alla distanza tra i due elettrodi ai capi del foglio di GEM (d=50μm); G: guadagno totale misurato per un rivelatore a 3GEM; M: guadagno di ogni singolo GEM, ricavato dalla formula misurando G ε: efficienza di trsferimento della carica da un GEM al successivo (1/3) Parametro da confrontare con α L /P

36 36 forte violazione dello scaling E/P per He, Ne in Ar buon accordo tra alta e bassa pressione, lo stesso per Kr, Xe coeficienti di ionizzazione sono >> ad alta Pressione. nuovo meccanismo per la moltiplicazione a valanga per i gas nobili leggeri ad alta pressione Risultati sperimental i ad alta P i coeficienti di ionizzazione ridotti non dipendono solo dal campo elettrico ridotto (come per la ionizzazione da impatto), ma anche dalla pressione

37 37 e + A A + + 2e ionizzazione da impatto A*+ e eccitazione A + hv diseccitazione A* + A --> A e ionizzazione associativa kiki keke krkr 1 / τ A: atomo di gas neutro A + : ione atomico A 2 + : ione molecolare k, 1/ τ : frequenza dei vari processi Interazione di e - con atomi del gas Produce un elettrone nello stato finale e provoca il progredire della valanga. Possibile responsabile della violazione dello scaling E/P ad alta pressione Si ricava un'ulteriore dipendenza dalla pressione come riscontrato dai dati sperimentali; >P --> > K r perchè aumenta la probabilità che l'atomo eccitato incontri un altro atomo nel tempo di vita medio di diseccitazione. >P --> > numero di e - secondari ed incremento di α H /P ipotesi: a pressioni basse 1/ τ >> K r.

38 38 Considerando nella costante C il contributo della ionizzazione associativa, si nota il buon accordo tra i dati misurati ad alta pressione e le curve relative a bassa pressione ionizzazione associativa: (He, Ne) dominante ad alta pressione e trascurabile per P< 0.2 atm (regione in cui sono stati misurati i coeficienti presenti in letteratura) (Patm: contributo 2/3 per He, 1/2 per Ne) per gas nobili pesanti è trascurabile ad ogni P Risultati sperimentali c orretti con modello di ionizzazione associativa ionizzazione associativa processo rapido (ns). Rivelatori a valanga con gas nobili leggeri ad alta P NON sono sensibili alle impurezze (bassa concentrazione)

39 39 F=aG -b Ion feedback 1)meccanismo di scariche in gas nobili 2)prevenzione da distorsioni di campo 3)riduzione di emissione di elettroni indotta da ioni sul fotocatodo di GPM I - out Indipendenza da tipo di gas e pressione non influnzato da diffusione di ioni ed elettroni A partire da un guadagno critico aumenta la soppressione Effetto dell'estensione della valanga all'esterno del foro del GEM IONI: Ion Feedback = I - out

40 40

41 41 L'estensione della valanga all'esterno dei fori costituisce una limitazione nella loro distanza minima (d< mm)

42 42 manufattura

43 43 Ionizzazione associativa A: atomo di gas neutro A + : ione atomico A 2 + : ione molecolare meccanismo solitamente responsabile della moltiplicazione a valanga: aumento di e nello stato finale meccanismo che provoca disturbo nei rivelatori a gas e che causa la perdita del segnale e la nascita di scariche provocate dai fotoni emessi nella diseccitazione Ionizzazione associativa: contribuisce al progredire della valanga rilasciando e

44 44

45 45 COMPASS

46 46 Rivelazione di neutroni n + 6 Li --> α + 3 H

47 47 legge di scala E/P per i coeficienti di ionizzazione misurati nei gas nobili in un rivelatore a gas a geometria piana formula di perchè alta pressione? densità gas ~1 / T --> alta P (T ambiente) = P atm (T criogenica) rivelazione di neutroni con 3 He, raggi X, neutrini, materia oscura


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