I rivelatori a tempo di volo ( TOF ) (II) Heavy ion collisions produce many particles... but only 1 central collision every 250 ms. Text

Concetto base dei rivelatori RPC (Resistive Plate Chamber) Piani resistivi 2 mm Volume di gas Piani resistivi Pad di lettura del segnale Resistivita’ molto elevata (bakelite, vetro). Operava all’inizio in regime di streamer.

Ionizzazione primaria Processo di natura statistica COPPIE ELETTRONE - IONE POSITIVO N.B. np cresce all’incirca linearmente con Z del gas GAS (STP) Helium Argon Xenon CH 4 DME dE/ dx ( keV / cm ) 0.32 2.4 6.7 1.5 3.9 n (ion pairs/ cm ) 6 29 44 16 55

Ionizzazione secondaria Gli elettroni della ionizzazione primaria hanno energia sufficiente (keV) per produrre una nuova ionizzazione N/n ≈ 3 coppie elettrone-ione prodotte n coppie elettrone-ione primarie GAS (STP) Helium Argon Xenon CH 4 DME n (ion pairs/cm) cm ) 6 25 44 16 55 N (ion pairs/cm) 8 90 300 53 160

Moltiplicazione a valanga Aumentando l’intensità del campo elettrico (>10 kV/cm) gli elettroni secondari possono acquistare energia sufficiente per produrre una nuova ionizzazione e così via con la formazione di una valanga A causa della grande mobilità degli elettroni rispetto agli ioni positivi la valanga ha la forma di una goccia: sul fronte gli elettroni, sulla coda gli ioni

G = e ad Moltiplicazione a valanga ( guadagno ) l 1 2 4 1 2 4 dn = n/l dx = na dx a aumenta con E Integrando N = n0 eax G = e ad La moltiplicazione a valanga non puo’ continuare alzando a a valori sempre piu’ alti. A un certo punto I fotoni ultravioletti iniziano ad innescare valanghe dapertutto nella camera e le deformazioni del campo elettrico generano una scarica. La condizione di Raether dice che si puo’ arrivare al massimo a guadagni di 108  ad ~ 18. Dopo questo limite il tempo morto della camera aumenta moltissimo e

Guadagno G = e ad Tutti gli e- raccolti Ricombinazione ln M Streamer Breakdown Collection Saturation Multiplication Moltiplicazione a valanga Tutti gli e- raccolti Attachment Discontinuita’ Ricombinazione n1 n2 IONIZATION CHAMBER PROPORTIONAL COUNTER G = e ad a e’ il coefficiente di Townsend, = 1/l Voltage Siamo fuori dallo stremaer se G < 10 8  ad < 18

gap-utile di ionizzazione gap-utile di moltiplicazione catodo anodo 1mm RPC Le valanghe che sono generate in prossimità dell’anodo non hanno spazio per svilupparsi a sufficienza per essere rivelate. Solo le valanghe generate dai cluster creati nel primo mm vicino al catodo (gap utile di ionizzazione: g.u.i.), avendo almeno circa un ulteriore mm di gas (gap utile di moltiplicazione: g.u.m.) per svilupparsi possono dare origine ad un segnale rivelabile

Electrons avalanche in high electric field N=Noeax E E Through-going charged particle creates clusters of electrons and positive ions E In avalanche mode - only avalanches that start close to cathode grow big enough to induce signal in external electrodes Cloud of positive ions (n.b. same number as electrons in avalanche) drift slowly to cathode (large distance therefore large signal)

Ma le risoluzioni temporali non sono brillanti Ma le risoluzioni temporali non sono brillanti. Inizia un lungo R&D per cercare di migliorarle. La dispersione in tempo dipende dal diverso punto in cui si innesca la Valanga  gap piccola. Qualche conto: Ma gap piccola significa piccola probabilita’ di produzione di una coppia Elettrone-ione  - Uso di gas densi ( almeno 5-10 coppie/mm) - necessarie parecchie gap(aumenta l’efficienza/risoluzione). Questo significa pero’ un elevato numero di elettrodi da tenere a tensione opportuna  gli elettrodi possono essere tenuti floating.  Nasce la MRPC l

Dobbiamo scegliere un gas denso e con elevata Vdrift. Molto elettronegativo SF6 = 5 % C2 F4 H2 = 90 % Iso-C4H10 = 5 % Denso Il processo di quenching e’ dominato dall’esafluoruro di zolfo. La miscela e’ Accettabile anche eliminando l’isobutano e aumentando l’esafluoruro al 7 %.

Conto qualititivo: Campi elettrici elevati st ~ l/vd  vd grande Se voglio st ~ 50 ps  l~0.05ns * 200 mm/ns ~ 10 mm  l ~ 0.01 mm l = 1/a  a ~ 1/ 0.01 mm ~ 100 mm-1 Siccome aD = 18  D ~ 18/a ~ 18/100 mm-1 ~ 0.2 mm Campi elettrici: 12.5 kV / 5 gap = 2.5 kV/gap  se la gap e’ 0.25 mm  E = 2500/0.025 = = 1000/0.01 V/cm = 100 kV/cm

1996: LAA MULTIGAP RESISTIVE PLATE CHAMBER (R&D project to improve Resistive Plate Chambers) Signal electrode Cathode -10 kV Stack of equally-spaced resistive plates with voltage applied to external surfaces (all internal plates electrically floating) Pickup electrodes on external surfaces (resistive plates transparent to fast signal) Internal plates take correct voltage - initially due to electrostatics but kept at correct voltage by flow of electrons and positive ions - feedback principle that dictates equal gain in all gas gaps (-8 kV) (-6 kV) (-4 kV) (-2 kV) Anode 0 V Signal electrode

ALICE TIME OF FLIGHT MULTIGAP RESISTIVE PLATE CHAMBER Double stack - each stack has 5 gaps (i.e. 10 gaps in total) 130 mm active area 70 mm 250 micron gaps with spacers made from fishing line honeycomb panel Flat cable connector Differential signal sent from strip to interface card (10 mm thick) PCB with cathode pickup pads Resistive plates ‘off-the-shelf’ soda lime glass 400 micron internal glass 550 micron external glass Resistive coating 5 MW/square external glass plates 0.55 mm thick internal glass plates (0.4 mm thick) PCB with anode pickup pads Mylar film (250 micron thick) 5 gas gaps of 250 micron PCB with cathode pickup pads M5 nylon screw to hold fishing-line spacer Honeycomb panel (10 mm thick) connection to bring cathode signal Silicon sealing compound to central read-out PCB

Central module Intermediate module Outer module 0º 3.2º 4.3º 5.3º 0.5º 1.6º 2.7º 4.8º 3 .7º 1º 2.1º 15.30 cm 8.5 cm 70 138 209 276 349 415 492 6.3º 7.4º 5.9º 6.9º 7.9 º 99 cm 114 cm 27.8º 28.7º 29.6º 30.5º 31.5º 32.3º 33.3º 34.2º 34.9º 35.8º 36.6º 37.4º 38.3º 39.2º 40.1º 40.8º 41.6º 42.4º 43.1º 43.9º 173 cm 178.2 cm Outer module 44.3º 27.3º 28.2º 30.1º 31.0º 32.8º 33.7º 34.6º 35.4º 36.3º 37.1º 38.8º 39.6º 40.4º 41.2º 42.0º 42.8º 43.5º 37.9º 31.9º 29.2º 8.2º 9.3º 13.4º 12.4º 11.4º 10.3º 8.7º 9.8º 10.8º 11.9º 12.9º 13.9º 14.9º 16º 17º 18º 19.1º 20.1º 21.1º 23º 22.1º 23.9º 24.9º 25.9º 26.8º 147 cm 134.30 cm 14.5º 15.5º 16.5º 17.5º 18.5º 19.5º 20.5º 21.5º 22.5º 23.4º 24.4º 25.4º 26.3º Intermediate module Central module

A TOF SuperModule in the Space Frame 18 Supermodules, each made of 5 modules: 2 external (19 strips), 2 intermediate (19 strips), 1 central (15 strips) 7.4 m Readout performed by two VME Crates/Side 2 crates /side 157248 pads, total sensitive area: ~150 m2

Growth of avalanche limited by space charge of positive ions -HV Every time an ionising collision creates an electron, there is also a positive ion created. Since the positive ion is heavy - it is stationary in time scale of avalanche formation. The charge of these positive ions reduces the electric field seen by the electrons in the ‘head’ of the avalanche. i.e. Gas gain is reduced - so avalanche grows to certain size and then growth slows down. + + + + + + + + + + + + - - - - - - - + HV Low field region due to space charge

ALICE mrpc’s operate here Magboltz output for 90% C2F4H2, 5% SF6 and 5% i-C4H10 400 Effective Townsend coefficient Coefficient [mm-1] Attachment coefficient 300 ALICE mrpc’s operate here Townsend coefficient 200 100 -100 50 100 150 Electric field [V/cm]

Result a = 173.4 mm-1 and h = 5.8 mm-1 for a 220 micron gap MRPC Use MAGBOLTZ program to predict Townsend coefficient and attachment coefficient in gas mixture 90% C2F4H2, 5% iso-C4H10 and 5% SF6. Result a = 173.4 mm-1 and h = 5.8 mm-1 for a 220 micron gap MRPC i.e. l = 6 mm Single electron avalanching across 220 mm gap would produce ~1014 electrons ! Number of electrons in avalanche 1.00E+14 8.00E+13 6.00E+13 ANODE 4.00E+13 2.00E+13 0.00E+00 5 10 15 20 25 30 Distance [l] 220 mm

Add ‘space charge’ limitation as saturation at 1.6 107 electrons Number of electrons in avalanche 0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06 1.00E+07 1.20E+07 1.40E+07 1.60E+07 1.80E+07 2.00E+07 Even avalanches that start half way across gap can produce detectable signals Anode 5 10 15 20 25 30 Distance [l] Question: can we believe that we are really working with such high Townsend coefficient?

A. Very high efficiency (99. 98 %) needs 9 independent clusters A. Very high efficiency (99.98 %) needs 9 independent clusters. Expect 7.5 clusters/mm therefore with 10 gaps of 250 micron - there are 19 clusters in gas… therefore need 9/19 avalanches to give detectable signal i.e. avalanches starting halfway across gap have to give detectable signals Shape of spectrum at low signals very dependent on value of a (Townsend coefficient) High part of spectrum depends on value of saturation (1.6 107 electrons) B. Agreement between data and simulation

10 gap MRPC can be easily used up to continuous flux of 1 kHz/cm2 Rate Capability 10 gap MRPC can be easily used up to continuous flux of 1 kHz/cm2 This good rate capability (for an RPC) due to small amount of charge generated by through-going particles. Higher rate capability could be reached by using material with lower resistivity

L’elettronica in un rivelatore del genere e’ complicata: Deve essere veloce; La carica e’ piccola ( regime di valanga) Deve sfruttare il segnale e’ differenziale Deve avere match con la capacita’ delle pad - Deve consumare poco (150,000 canali) Soluzioni commericali possibili, ma la scelta migliore e’ l’ASIC

TOF front end electronics: 6552 FEA cards 3 NINO ASICs (8 ch) /card LV The benefit of the ASIC: - Input stage (and following) fully differential; - Adjustable input resistance ( 30 Ohm – 100 Ohm); - Power: 40 mW/channels (to be compared with 400 mW/channels of the COTS amplifier); - Nice matching with detector capacitance ( 30 pf ); - LVDS Output signal, compatible with HPTDC input To LTM

Time slewing correction is mandatory to get extremely good time resolutions.TOT is a good charge substitute.

Test beam of single strips Gas mixture: C2F4H2(90%) – SF6 (5%) – C4H10(5%) ε > 99.9 % Efficiency average ~ 50 ps Time resolution( ps) Similar results obtained when strips are inserted inside the modules

POSITION SCAN ACROSS BOUNDARIES Sharing of charge between neighbouring pads causes : Global efficiency loss due to boundaries < 2% Global double hit probability ~15% Deterioration in resolution at the borders Could use algorithm like average, pulse height weighted average etc.. Sharpness of boundaries depends on : Threshold/dynamic range of charge spectrum Size of footprint of avalanche on pickup pads

Oct. 5, 2006 2 TOF SMs inserted