Università degli Studi di Napoli “Federico II” Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Area Didattica di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Laurea triennale in Fisica Studio della velocità di drift degli elettroni in una miscela di Ar-CO 2 nel rivelatore MICRO-MEsh GAseous Structure Relatori: Candidato: Prof. Mariagrazia Alviggi Maria Teresa Camerlingo Dott. Camilla Di Donato N85/ Anno Accademico 2013/2014

Gap di drift RIVELATORI A GAS MICROMEGAS Ionizzazione del gas Fenomeno di moltiplicazione a valanga di Townsend Campo elettrico Due prototipi di Micromegas costituiscono il sistema di rivelazione dell’apparato sperimentale del presente lavoro. RUOLO DEL MICROMESH Strip resistive Conversion gap Amplification gap Charged Particle Drift Electrode (HV1) Micromesh (V=0) Anode Strips (HV2) E1E1 E2E2 e-e- 2

Dipendenza della velocità di drift dai parametri più importanti Dalla trattazione classica:Approssimazione a gas perfetto Si ottiene: λ e σ sono funzioni dell’energia dell’elettrone e dipendono fortemente dalla miscela adoperata + 3

MISCELA Ar-CO 2 Si sfruttano le tipiche proprietà di gas nobile dell’ Ar e le proprietà di quencher della CO 2 (gas poliatomico). I due gas presentano degli andamenti σ(ε) simili. minimo di Ramsa Il diverso comportamento di λ(ε) è responsabile dell’aumento della velocità di drift in miscele rispetto al caso di Ar puro. gas poliatomico 4

STIMA DELLA VELOCITA DI DRIFT DEGLI ELETTRONI DI IONIZZAZIONE Supposta u approssimativamente costante e nota la distanza Δh percorsa dagli elettroni, occorre solo stimare il loro tempo di percorrenza Δt per ricavare la stima di u. E’ ragionevole supporre che la distanza Δh percorsa dall’elettrone più distante dalla mesh sia pari alla profondità della gap di drift. Δt è l’intervallo di tempo impiegato dagli elettroni più distanti per raggiungere la mesh. 5

Selezione eventi e stima del tempo di salita del segnale indotto sulle strip x della camera Tagli sulla carica massima indottaqmax tra 80 e 1600 ADC count Fit della salita del segnale Criteri di qualità sul fit 6

Taglio inferiore sulla molteplicità (3) è apportato quindi per ridurre l’effetto di sovrapposizione del segnale sulla stessa strip. Nell’ipotesi di “illuminazione uniforme” si attende che la distribuzione del tempo T di ciascuna strip abbia l’aspetto di una “box”, la cui ampiezza a metà altezza dà una stime del tempo Δt. SORGENTE ADOPERATA: RAGGI COSMICI posseggono una distribuzione angolare non uniforme. Effetti sulla forma della “box”. Taglio superiore (7) è invece determinato dalla geometria del sistema del trigger esterno. Stima del tempo Δt (1) 7

Stima del tempo Δt (2) Metodo A: Fit sugli istogrammi dei tempi T del cluster Fit con funzioni f 1 e f 2 di tipo F-D Metodo B: Fit sugli istogrammi dei tempi minimi e massimi del cluster Il metodo B è stato implementato per ridurre la sottostima dei tempi (legame con forma della box) del metodo A. Distribuzione angolare dei cosmici e fluttuazioni statistiche nei processi di creazione delle coppie e - -ione La stima di ΔtSOTTOSTIMA di Δt Fit con funzioni f 1 su tmin e con f 2 su tmax 8

Andamento dei tempi minimi del cluster al variare della molteplicità Si sono indagate le ipotesi di partenza del metodo B: Si attende che sia il tempo minimo sia il tempo massimo varino in funzione della molteplicità del cluster fino a raggiungere dei valori limite. SimulazioniDistribuzioni osservate Le distribuzioni osservate confermano le simulazioni convalidando il metodo B. Angolo di incidenza della traccia 20° 10° 30° 20° 9

Andamento u(E drift ) (met. A e B) Lo scostamento tra le stime dei due metodi a velocità basse è minore poiché gli elettroni arrivano alla mesh più distanziati in tempo, riducendo l’effetto di accumulo sulla stessa strip. METODO A METODO B Gli andamenti ottenuti sono simili a quello simulato ma risultano traslati verso campi elettrici maggiori e velocità più elevate. Inoltre le stime ottenute con il met. B si avvicinano maggiormente ai valori simulati. 10

TPS METODO B Discussione risultati (metodo B) (1) Le simulazioni sono effettuate a TPS mentre durante l’intera presa dati si sono osservate una variazione termica di 5.5 K e una barica di 2900 Pa, quindi si è ricavato l’andamento a TPS delle stime ottenute tramite la legge di scala. Le sole variazioni di T e P non giustificano lo scostamento tra gli andamenti osservati e quello simulato. 11

E drift (V/cm) u(cm/μs) Discussione risultati (metodo B) (2) Lo scostamento tra le stime sperimentali e quelle simulate del caso Ar-CO 2 con 2% di aria è minore del caso senza aria. Punto di massimo compreso nello stesso intervallo ( V/cm). 12

Discussione risultati (metodo B) (3) Lo spostamento della velocità massima a valori maggiori del modulo del campo elettrico potrebbe anche indicare la presenza di una maggiore percentuale di CO 2. Si è quindi confrontato l’andamento con ulteriori simulazioni, a percentuali di CO 2 vicine a quella nominale, trovando che l’andamento sperimentale (in cui si tiene conto solo del contributo dei tempi alle incertezze di u) risulta compatibile con la curva simulata per la miscela 90:10. E drift (V/cm) u(cm/μs) 13

CONCLUSIONI Le stime di u ottenute con entrambi i metodi mostrano un andamento della velocità di drift in funzione del campo simile a quello riportato in letteratura. I valori ottenuti si discostano da quelli simulati per circa il 10-15% per il metodo B, maggiormente per il metodo A. La minore “affidabilità” del metodo A è dovuta alla forma irregolare delle “box”, ottenute adoperando come sorgente i raggi cosmici. La differenza osservata tra misure e simulazioni è imputabile a: incertezza della miscela, sia riguardo alla percentuale di CO 2 che all’eventuale presenza di aria; incompletezza delle simulazioni, infatti riproducono le dipendenze di u dal modulo del campo elettrico e dalla miscela senza tenere però conto delle alterazioni introdotte dalla presenza del mesh. Possibili prospettive future: misura più accurata delle percentuali di gas. sistema di tracciamento esterno che permetta di ricostruire la traiettoria dei raggi cosmici. 14