Gas Electron Multiplier Principi di funzionamento ed alcune applicazioni dei rivelatori GEM Gas Electron Multiplier Pavia, 28 giugno 2006 Seminario di Silvia Franchino

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

Gas Electron Multiplier - GEM 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/mm2) 70 µm 140 µm Geometria tipica: supporto isolante: 50 µm Kapton, foglio conduttore: 5 µm Cu, diametro fori: 70 µm, distanza 140 µm

i fori visti da vicino Geometria standard Doppio-Conica sezione trasversale rivestimento di rame supporto di kapton Geometria standard Doppio-Conica

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO dei rivelatori a gas con amplificatori GEM zona di DERIVA zona di INDUZIONE -VD -VTOP -VBOT DVGEM GEM catodo elettrodo di lettura --GEM all'interno di un rivelatore a geometria piana, come elemento di amplificazione; --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 104 in regime proporzionale e con le comuni miscele di gas. 3mm 1-2 mm linee di campo elettrico simulazione di moltiplicazione a valanga

CARATTERISTICHE: Ideati da Sauli nel 1996 alta frequenza di conteggio (>105mm-2s-1) buona capacità di imaging (possibilità di segmentazione 2D dell'elettrodo di lettura) eccellente risoluzione spaziale ~60 μm rms, 1mm 2D possibilità di operazione in campo magnetico date le piccole dimensioni della zona di deriva indipendenza tra zona di moltiplicazione e zona di lettura del segnale area sensibile molto elevata geometria flessibile basso costo riduzione della probabilità di scariche mettendo in cascata più elementi (multi-GEM)

SEGNALE ELETTRICO VELOCE Ar-CO2 70-30 S1 S2 S3 S4 Induction gap e- I+ il segnale è dovuto solamente al contributo degli elettroni; NO segnale ioni --> risoluzione temporale molto buona possibilità di impiego per alte frequenze di conteggio

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

multi GEM

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

ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM: 1) guadagni più elevati (107) con tensioni più basse su ogni elemento 2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle

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 S. Bachmann et al, Nucl. Instr. Meth. A479 (2002) 294

ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM: 1) guadagni più elevati (107) con tensioni più basse 2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle 3) riduzione del ritorno verso il catodo di ioni e fotoni riduzione aging 4) alti guadagni (105) in gas nobili puri anche ad alta pressione 5) possibilità di rivelazione di fotone singolo con ottima risoluzione temporale (ns)

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)

TOTEM

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

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

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

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 catodo

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

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

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

Radiografia di un pipistrello effettuata con raggi X da 8 KeV 32 mm dimensioni pixel: 50x50 μm2

Possibilità di impiego: 1) rivelatori 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) 3) rivelatori "non aging" operanti con miscele di gas nobile puro 4) rivelatori criogenici per ricerca di neutrini e materia oscura 5) rivelatori di neutroni 6) imaging per medicina 7) fotomoltiplicatori a gas con amplificatore GEM 8) RICH ..........

FOTOMOLTIPLICATORE A MULTI-GEM

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

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 impulsi ritardati, scariche. Limitazione al Gmax 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

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

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 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 1) geometria dei fori del GEM (diametro, spaziatura) 2) processi di trasporto degli elettroni nel gas (diffusione trasversale: funzione di P, tipo di gas, intensità campo elettrico nel volume di deriva) 3) configurazione del campo elettrico da entrambi i lati del foglio GEM Guadagno Effettivo = / Guadagno reale: non considerando le perdite di elettroni sull'elettrodo inferiore

Studi di efficienza al variare del campo elettrico: 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 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 Configurazione ottimale: bassi campi elettrici nella zona di deriva e alti campi all'uscita del GEM

Linee di campo simulate con GARFIELD basso campo di deriva qui gli elettroni sono persi 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% S. Bachmann et al, Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier Nucl. Instr. and Meth. A438(1999)376

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

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

operazione di multigem in gas nobili ad alta pressione Comportamento diverso tra gas nobili pesanti e leggeri: V cresce molto lentamente aumentando P He, Ne raggiungono guadagni elevati (105) pechè le loro tensioni di lavoro sono << di quelle dei gas pesanti P< 3atm la tensione massima cresce con la pressione --> dipendenza E/P P>3atm: Vmax cessa di aumentare per i gas nobili pesanti. Diversità rispetto ai gas molecolari Pressione ideale per ogni gas nobile per cui il rivelatore multiGEM raggiunge un Gmax

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 (αH) e quelli disponibili in letteratura (αL), misurati a bassa pressione 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); 2) come valore di campo elettrico si considera quello simulato al centro del foro EGEM=63KV/cm per un ΔVGEM=500V 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 αL/P

Risultati sperimentali 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 forte violazione dello scaling E/P per He, Ne coeficienti di ionizzazione sono >> ad alta Pressione. in Ar buon accordo tra alta e bassa pressione, lo stesso per Kr, Xe nuovo meccanismo per la moltiplicazione a valanga per i gas nobili leggeri ad alta pressione

e + A A*+ e A + hv A+ + 2e A* + A --> A2+ + e Interazione di e- con atomi del gas A: atomo di gas neutro A+: ione atomico A2+ : ione molecolare k, 1/ τ : frequenza dei vari processi ki A+ + 2e ionizzazione da impatto e + A ke A*+ e eccitazione 1 / τ kr A + hv diseccitazione A* + A --> A2+ + e ionizzazione associativa Produce un elettrone nello stato finale e provoca il progredire della valanga. Possibile responsabile della violazione dello scaling E/P ad alta pressione ipotesi: a pressioni basse 1/τ >> Kr. Si ricava un'ulteriore dipendenza dalla pressione come riscontrato dai dati sperimentali; >P --> > Kr 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 αH/P

Risultati sperimentali corretti con modello di ionizzazione associativa 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 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 processo rapido (ns). Rivelatori a valanga con gas nobili leggeri ad alta P NON sono sensibili alle impurezze (bassa concentrazione)

Ion feedback I-out I-out Ion Feedback = F=aG-b IONI: Ion Feedback = I-out meccanismo di scariche in gas nobili prevenzione da distorsioni di campo riduzione di emissione di elettroni indotta da ioni sul fotocatodo di GPM F=aG-b Indipendenza da tipo di gas e pressione I-out 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

Fine

L'estensione della valanga all'esterno dei fori costituisce una limitazione nella loro distanza minima (d<0.3-0.6 mm)

manufattura

Ionizzazione associativa A: atomo di gas neutro A+: ione atomico A2+ : 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

COMPASS

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

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