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Rivelatori di Particelle1 Lezione 14 Camere a deriva Possono essere considerate come derivate delle camere proporzionali. In questo caso ricavo la coordinata.

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1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 14 Camere a deriva Possono essere considerate come derivate delle camere proporzionali. In questo caso ricavo la coordinata misurando un tempo. Measure arrival time of electrons at sense wire relative to a time t 0. x

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 14 Camere a deriva Vantaggi di una camera a deriva rispetto ad una MWPC: più facile da costruire da un punto di vista meccanico (fili più lontani minori le forze elettrostatiche) meno fili meno elettronica (anche se più costosa) migliore precisione (non più limitata alla distanza dei fili /(12) 1/2. I parametri fondamentali sono: diffusione (buono se piccola) velocità di deriva (ottimo se costante). Tipiche velocità di deriva (con argon-isobutano nelle proporzioni 75%-25% e campi elettrici E~ V/cm) ~50 mm/ s.

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 14 Camere a deriva Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in presenza di elementi elettronegativi.

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 14 Camere a deriva Diffusione In presenza di campo elettrico: limite intrinseco delle camere a deriva. Il coefficiente di diffusione diminuisce aumentando il campo elettrico (con campi tipici di 1KV/cm la risoluzione è ~100 m per una distanza di deriva di 1 cm). Concludendo: In presenza di campo elettrico, aumentando il campo diminuisce la diffusione usare gas freddi (CO 2 ) che hanno elettroni termici anche con alti E bassa moltiplicazione (male) e lungo tempo di deriva (bene). Gas caldi (Argon) hanno elettroni non termici anche per bassi E diffusione anisotropa ed in genere D T >D L In presenza di un campo magnetico la diffusione lungo B non cambia, mentre nella proiezione ortogonale a B gli elettroni fanno archi di cerchio con raggi v T / la diffusione diminuisce.

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 14 Camere a deriva La risoluzione non è determinata dalla spaziatura dei fili meno fili, meno elettronica, meno strutture di sostegno rispetto alle MWPC. Resolution determined by diffusion, path fluctuations, electronics primary ionization statistics (N. Filatova et al., NIM 143 (1977) 17)

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 14 Camere a deriva sense field Dalla figura si vede chiaramente come la risoluzione dipende dalla ionizzazione primaria (distribuita alla Poisson) Al limite la risoluzione è migliore per tracce lontane.

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 14 Camere a deriva Camere a deriva piane. Ottimizzare la geometria in modo da avere E costante. Scegliere un gas con una velocità di deriva che dipenda poco da E relazione spazio-tempo lineare. (U. Becker, in: Instrumentation in High Energy Physics, World Scientific) E(x) non è costante v D non è costante. Un po meglio della configurazione di sopra E costante s=s o +bt

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 14 Camere a deriva Ambiguità destra sinistra: la misura di tempo non può discriminare fra destra e sinistra staggering t1t1 t2t2 t 1 +t 2 = tempo per percorrere ½ cella Se la cella è di ±5 cm ( 50 mm/ s ) t 1 +t 2 = 1 s.

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 14 Camere a deriva Camere a deriva cilindriche. In un esperimento ad anelli di collisione conviene usare camere a deriva cilindriche, in quanto ermetiche e facile coprire un grande angolo solido. Sezione trasversa di una camera cilindrica. Strati di fili (anodi, sense) sono separati da fili di potenziale (catodi)

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 14 Camere a deriva Camere a deriva cilindriche. Configurazione più semplice che fornisce un campo non proprio al meglio La qualità del campo può essere migliorata con una configurazione a cella chiusa, come indicato.

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 14 Camere a deriva Straw tubes. Catodo cilindrico sottile ed un filo anodico. Straw tubes o pixel al silicio sono quasi sempre usati per trovare il vertice dellinterazione negli esperimenti ai collider (ad LHC pixel al silicio).

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 14 Camere a deriva La misura della coordinata z ( quella // al filo anodico) è normalmente misurata tramite divisione di carica (filo resistivo) misura di tempo (linee di ritardo) Le camere a deriva cilindriche tipiche hanno 10÷15 piani di anodi non sufficienti per identificare le particelle con misure di dE/dx camere a jet : ottimizzate per avere il massimo numero di misure nella direzione radiale. camere a jet : ottimizzato il campo per avere una velocità di deriva costante

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 14 Camere a deriva JVD di UA2

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 14 Camere a deriva JVD di UA2. lunghezza mm raggio interno34.0 mm raggio esterno128.5 mm raggio interno sensibile40.0 mm raggio esterno sensibile123.8 mm numero di settori16 numero di sense/settore13 spaziatura dei sense6.44 mm sense staggering0.20 mm materiale sense25 m di Ni-Cr materiale fili guard-field100 m Cu-Be tensione meccanica sense(50 1) g spessore parete interna (fibra carbonio)0.001 X 0 spessore parete esterna (vetronite)0.002 X 0 spessore tubo alluminio0.010 X 0 spessore totale JVD (a 90 o )0.015 X 0 mistura di gasargon(60%) + etano(40%) campo elettrico nella regione di deriva-1.05 kV/cm pressione1 Atm velocità di deriva m/ns

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 14 Camere a deriva JVD di UA2 La camera consiste in 16 settori con 13 celle sensibili per ogni settore. I 13 fili di sense sono alternati con dei guard wires, mentre due piani di fili catodici assicurano lisolamento elettrico fra settori vicini. I fili di sense sono sfalsati di 200 m per risolvere lambiguità destra-sinistra. La coordinata longitudinale lungo lasse del cilindro è misurata con il metodo della divisione di carica. I fili di sense, di diametro 25 m, sono di una lega di Ni- Cr ed hanno una resistenza di Sono tirati con una tensione di 50 1 g. Tutti i fili di guardia in un settore sono mantenuti allo stesso potenziale negativo V, mentre i fili di sense sono a massa. I fili di campo (catodi) sono connessi in gruppi di 5 e mantenuti ad un potenziale elettrico crescente col raggio della camera. Il gas con cui la camera è stata fatta funzionare era 40% Etano e 60% Argon Il guadagno della JVD è stato misurato ed era 3X10 4 e la velocità di deriva era ( ) m/ns, costante su tutta la regione di drift.

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 14 Camere a deriva JVD di UA2 Due tracce possono essere distinte col 90% di efficienza se distanti di 2 mm (40 ns) La risoluzione media r era di 150 m costante su tutto lo spazio di drift ed essenzialmente determinata dallelettronica di lettura. La risoluzione sulla coordinata longitudinale (lungo il filo di sense), ottenuta col metodo della divisione di carica (filo resistivo) era 1% della lunghezza del filo. L energia media persa per ionizzazione è stata ottenuta col metodo della media troncata. La risoluzione della perdita di energia media per ionizzazione era / 40%. Da notarsi che in UA2 non cera alcun campo magnetico (nella zona di operazione della JVD) e conseguentemente non era possibile usare la JVD per identificare le particelle essendo ignoto limpulso delle medesime. L efficienza della camera era 99%

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 14 Camere a deriva Camere a jet.

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 14 Camere a deriva Camera a jet di OPAL. Il campo E è ortogonale ai fili anodici e la camera è in campo magnetico solenoidale (// ai fili anodici) gli elettroni seguono una traiettoria non // ad E, ma formano con E un angolo v (B/E). Per migliorare la risoluzione (misura di dE/dx) si opera ad alta pressione (e.g. 4 atmosfere) si sopprimono le fluttuazioni della ionizzazione primaria (>ionizzazione), ma attenzione, la pressione non deve essere troppo elevata, altrimenti interviene leffetto densità e dE/dx raggiunge il plateau di Fermi. Misura della coordinata z (// ai fili anodici) con divisione di carica. Ambiguità destra-sinistra risolta sfalsando i fili anodici di ±100 m.

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 14 TPC TPC (time projection chamber). Il meglio dei meglio è al momento realizzato con le time projection chambers. Poco materiale (solo gas) minimizzo lo scattering multiplo e la conversione dei fotoni.

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 14 TPC TPC La camera è divisa in 2 metà tramite un elettrodo centrale Gli elettroni di ionizzazione primaria si muovono nel campo elettrico verso le placche finali della camera (normalmente delle MWPC). Campo magnetico // al campo elettrico. La diffusione ortogonale al campo è soppressa dal campo B. Il tempo di arrivo degli elettroni sulle placche finali fornisce la coordinata lungo lasse del cilindro (z). La moltiplicazione degli elettroni avviene vicino agli anodi. x e y si ottengono dagli anodi e dal catodo della MWPC suddiviso normalmente in pad. Traiettoria della particella B Elettrodo centrale ( -50kV) gas Piano di lettura Fili anodici Pad catodiche

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 14 TPC La TPC permette di determinare un punto nello spazio ( x,y,z ovvero r,,z ). Il segnale analogico sullanodo fornisce dE/dx. E//B angolo di Lorentz = 0 e la velocità di deriva è quindi parallela sia al campo elettrico che magnetico. Il campo magnetico sopprime la diffusione al campo (Gli elettroni spiralizzano attorno a B.) Per E~ 50KV/m e B ~1.5 T raggi di Larmor ~1 m Richieste: i.Per misurare bene la coordinata z bisogna conoscere perfettamente la v D calibrazione tramite laser e correzioni per la pressione e temperatura. ii.La deriva avviene su lunghe distanze gas molto puro e sempre monitorato. Esempi: PEP-4 TPC p=8.5 atmosfere, Ar=80%, CH4=20% V centr =-55kV B=1.325T lunga 2m e con raggio 1m. Aleph TPC lunga 4.4 m e diametro 3.6 m, risoluzione r =173 m, z =740 m per leptoni isolati.

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 14 TPC Space charge problem from positive ions, drifting back to medial membrane gating

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 14 TPC Problemi: Molti ioni positivi creati nella zona di moltiplicazione vicino agli anodi della MWPC che possono andare fino allelettrodo centrale carica spaziale che deteriora il campo si introduce una griglia (gate) Gate openGate closed V g = 150 V ALEPH TPC (ALEPH coll., NIM A 294 (1990) 121, W. Atwood et. Al, NIM A 306 (1991) 446) Il gate è normalmente chiuso, viene aperto solo per un breve tempo quando un trigger esterno segnala un evento interessante passano gli elettroni. Viene chiuso di nuovo per impedire agli ioni di tornare verso lelettrodo centrale.

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 14 TPC

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 14 TPC

26 Rivelatori di Particelle26 Lezione 14 TPC

27 Rivelatori di Particelle27 Lezione 14 TPC

28 Rivelatori di Particelle28 Lezione 14 TPC

29 Rivelatori di Particelle29 Lezione 14 TPC

30 Rivelatori di Particelle30 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Altre camere derivate dalle camere a deriva sono: Microstrip Gas Chambers Microstrip Gas Chambers Micro Gap Chambers Micro Gap Chambers Micro gap wire chambers Micro gap wire chambers Micromegas Micromegas GEM GEM

31 Rivelatori di Particelle31 Lezione 14 Micro Apparati a Gas strutture più piccole Più velocità e maggiore precisione? strutture più piccole Microstrip gas chambers Microstrip gas chambers geometry and typical dimensions (former CMS standard) (A. Oed, NIM A 263 (1988) 352) Glass DESAG AF45 + S8900 semiconducting glass coating, =10 16 / Gold strips + Cr underlayer

32 Rivelatori di Particelle32 Lezione 14 Micro Apparati a Gas ions A C Field geometry Fast ion evacuation high rate capability 10 6 /(mm 2 s) Gas: Ar-DME, Ne-DME (1:2), Lorentz angle 14º at 4T. Passivation: non-conductive protection of cathode edges Resolution: m Aging: Seems to be under control. 10 years LHC operation 100 mC/cm CMS Gain 10 4 Il guadagno è limitato a valori relativamente bassi perché gli ioni, creati durante il processo di formazione della valanga ed accumulati sullisolante, modificano localmente il campo elettrico e causano una caduta del guadagno nella zona irraggiata dellapparato.

33 Rivelatori di Particelle33 Lezione 14 Micro Apparati a Gas 2-6 mm

34 Rivelatori di Particelle34 Lezione 14 Camere a deriva

35 Rivelatori di Particelle35 Lezione 14 Camere a deriva Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti.

36 Rivelatori di Particelle36 Lezione 14 Camere a deriva Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber ( lez. 13 slide 31 ) miniaturizzata. Quasi una micro-TPC.

37 Rivelatori di Particelle37 Lezione 14 Micro Apparati a Gas GEM (gas electron multiplier) GEM (gas electron multiplier) (R. Bouclier et al., NIM A 396 (1997) 50)

38 Rivelatori di Particelle38 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Micro photo of a GEM foil Applicando un gradiente di potenziale fra i due lati del foglio GEM, gli elettroni rilasciati prima del foglio GEM driftano nel buco, si moltiplicano e sono trasferiti dallaltro lato. Guadagno ~ 10 3.

39 Rivelatori di Particelle39 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Single GEM + readout pads

40 Rivelatori di Particelle40 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Double GEM + readout pads Same gain at lower voltage Less discharges

41 Rivelatori di Particelle41 Lezione 14 Invecchiamento di Apparati a Gas Argomento molto complesso. Formazione della valanga ~ scarica di micro plasma. Decomposizione del gas della camera + possibili gas di contaminazione Radicali attivi con momenti di dipolo Polimerizzazione Depositi resistivi sullanodo e sui catodi (ossidi di carbonio, composti al silicio) Fili anodici: aumento del diametro, tanti elettroni sul filo il campo si riduce e diventa non omogeneo guadagno che dipende dal rate Catodi: formazione di dipoli tra gli ioni e le cariche immagine emissione di elettroni corrente oscura + fili rumorosi, scariche possibile corrosione ed evaporazione degli elettrodi. Età di invecchiamento = perdita dellampiezza relativa del segnale deposito di carica sullanodo. Invecchiamento R [%/(C/cm)]: A/A=RQ/l.

42 Rivelatori di Particelle42 Lezione 14 Invecchiamento di Apparati a Gas Linvecchiamento relativo R può variare da valori trascurabili 10 6 (CH % TMAE). R<100 è considerato un invecchiamento moderato. Linvecchiamento può essere minimizzato con: Scelta accurata del materiale e pulizia durante la costruzione della camera Geometria e funzionamento della camera (diametro del filo + materiale usato, guadagno) Gas resistenti allinvecchiamento: piccole misture di oAcqua: aumenta la conducibilità superficiale oAlcol, etere, methylal : buoni moderatori, riducono le propagazione laterale della valanga e sopprimono la polimerizzazione. Sistema per il gas pulito, nessun tubo in PVC, niente olio (bubbolatori), nessuna impronta digitale …

43 Rivelatori di Particelle43 Lezione 14 Simulazione delle camere Originariamente scritto come un programma di simulazione bidimensionale per camere a deriva, è attualmente interfacciato da: MAXWELL mappe del campo tridimensionali (programma ad elementi finiti) MAGBOLTZ proprietà del trasporto degli elettroni (drift e diffusione) HEED perdita di energia di particelle cariche, dimensioni dei clusters, range, moto irregolare dei raggi delta, fotoionizzazione … Programma molto potente, ma non ancora molto user friendly.

44 Rivelatori di Particelle44 Lezione 14 Simulazione delle camere Alcuni esempi:

45 Rivelatori di Particelle45 Lezione 14 Simulazione delle camere


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