1 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE I rivelatori micropattern a gas (MPGD) e la collaborazione RD51: stato e prospettive. S. Dalla.

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1 1 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE I rivelatori micropattern a gas (MPGD) e la collaborazione RD51: stato e prospettive. S. Dalla Torre

2 2 NOTA BENE  Talk informativo sullo stato e le prospettive dei MPGDs e della collaborazione RD51  Il punto a ~ 5 y dalla nascita di RD51  Partecipazione INFN varata con precedenti presidente CSN I, coordinatori, componente GE  in vista del prolungamento di un secondo quinquennio  Le problematiche piu’ squisitamente di CSN verranno discusse quando calendarizzate dal coordinatore dei gruppi italiani in RD51 G. Catanesi CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE

3 3 INTRODUZIONE

4 4 RIVELATORI A GAS & FISICA FONDAME NTALE CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE contatore GEIGER Rutherford, Geiger 1908 ancora oggi l’unica strada per equipaggiare grandi volumi ad un costo ragionevole, con poco materiale l’unica via verso la risoluzione spaziale prima dell’avvento dei traccaitori a Si MWPC, G. Charpak, 1968 Premio Nobel nel 1992 ATLAS, spettrometro  primato di risoluzione temporale per rivelatori estesi RPC:  t ≤1 ns trigger di ALICE, ATLAS, CMS

5 5 200  m MPGD: UN PO’ DI STORIA CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE slide by W. Riegler, CERN Academic Traning, April 2008 MSGC - MicroStrip Gas Chamber Forte campo E al bordo fra isolante e conduttore  danneggiamenti Accumulo carica sull’isolante  evoluzione del guadagno nel tempo. A. Oed, NIMA 263(1988) 351 GEM: F.Sauli, NIMA F.Sauli, NIMA A386 (1997) 531 MICROMEGAS: Y. Giomataris Y. Giomataris et al, NIMA A376 (1996) 29 In seguito (~ 1999-2000): passivazione dei bordi del catodo  t ~9 ns  t ~12 ns

6 6 UN’AMPIA FAMIGLIA DI RIVELATORI CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Micromegas ElectronsIons 60 % 40 % GEM MHSP THGEM Ingrid 0.18  m CMOS VLSI  PIC 200  m MSGC

7 7 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE LE PRINCIPALI TIPOLOGIE DI MPGD: MICROMEGAS, GEM, THGEM

8 8 MICROMEGAS, il principio CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE e-e- ioni +  = E a /E d  transmission (%) Gain [ scala log 1 – 10 5 ] gap (mm) [ scala log 0.001 – 1 ] mm]  = E a /E d ~ 50  trasparenza per gli e - soppressione del ritorno degli ioni + Y. Giomataris et al, NIMA A376 (1996) 29 Y. Giomataris, NIMA A419 (1998) 239 V = 400 V 350 V 300 V Le MICROMEGAS devono essere operate alle condizioni di picco: Gap (gas) e V sono correlati R-O strip (anodo) mesh (catodo) Parallel Plate (gap ~ 100  m) ↑ E a ↑ E d Ionizzazione e drift (gap ~ 3-5 mm)

9 9 MICROMEGAS, la costruzione CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE 2) 2)da poliimmide metallizzato a mezzo attacco chimico; nel processo sono creati anche i pilastri che garantiscono la spaziatura S fida costruttiva: mantenere omogenea la sottile gap grazie a spaziatori isolanti 1) retina di nichel ottenuta per elettroformazione + fibre di quarzo del diametro di 75  m 3) 3)Bulk micromegas : retino di acciaio pretensionato e laminato assieme a supporto PCB e film fotoresistivo che poi viene rimosso tranne dove forma i pilastri (industrializzazione ?)

10 10 MICROMEGAS ed esperimenti CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE COMPASS 40 x 40 cm 2 MM a Pixel CAST T2K : TPC read-out CLAS12: MM curva ILC TPC esempi non esaustivi ATLAS – progetto MAMMA Goal: 1 x 2.5m 2 Componente della base-line per New Small Wheel, ATLAS muon system, 1200 m 2, tracking & trigger FUTURO

11 11 MICROMEGAS: sviluppi recenti CATODI RESISTIVI   Sviluppati nell’ambito del progetto MAMMA STRUTTURE IBRIDE   Per gli esperimenti COMPASS e CLAS12 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE per convivere con / superare il grande nemico: l’alto tasso di scarica catodo resistivo catodo non resistivo fascio: ,  120 GeV/c  no beam  J. Wotschack CERN Det. seminar, 18/11/2011 GEM + MM Gain MM/GEM 1 mm MM/GEM 2 mm MM M. Vandenbroucke, MPGD 2011 Discharge probability fascio: h ~3 GeV/c

12 12 MICROMEGAS: sviluppi recenti, cont. MM operate in microTPC mode   Sviluppati nell’ambito del progetto MAMMA CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE per migliorare le potenzialita’ di tracciamento x half Y drift (5mm) t i, x i

13 13 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE LE PRINCIPALI TIPOLOGIE DI MPGD: MICROMEGAS, GEM, THGEM

14 14 GEM, il principio e la realizzazione CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE 70 µm 55 µm 5 µm 50 µm Induction gap e- e- e- e- e- e- e- e- I+I+I+I+ ElectronsIons 60 % 40 % foglio di poliimmide metalizzato, foratura con attacco chimico S. Bachmann et al., NIMA A479(2002)294

15 15 GEM ed esperimenti CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE COMPASS 33 x 33 cm 2 GEM a Pixel TOTEM LHCb Time resolution: 4.5 ns rms 4.5 ns rms 60 cm KLOE2: Tripla GEM cilindrica chiusa 14/3/2013 Calorimetria adronica (ATLAS, ILC) esempi non esaustivi JLab Hall A 40 x 50 cm 2

16 16 GEM ed esperimenti, cont. CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE STAR - Forward GEM Tracker PANDA R-O TPC ILC ALICE esempi non esaustivi CMS GEM: Trapezoidal GEM Prototype (99 x 45-22 cm2)

17 17 GEM, sviluppi recenti Rivelatori di grandi dimensioni   GEM con maschera singola (TOTEM, CMS) Tecnica del self-stretching   Riduce il tempo di assemblaggio da d  h CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Frame used to stretch the foil 17 GEM foil Stretchingprocess No glue! standard (double mask) single mask

18 18 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE LE PRINCIPALI TIPOLOGIE DI MPGD: MICROMEGAS, GEM, THGEM

19 19 THGEM, COME e PERCHÉ CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Tecnologia PCB, quindi:  robusta  meccanicamente autoreggente  produzione industriale (grandi dim.)  economica Confronto con le GEM  Dimensioni geometriche x ~10  proprieta’ moto/multiplic. e - non scalano !  fori maggiori: accoppiamento fra il campo dipolare e i campi esterniGuadagno:  Facile ottenere grandi guadagni (rim !) Introdotti in // da differenti gruppi: L. Periale et al., NIM A478 (2002) 377. P. Jeanneret, PhD thesis, Neuchatel U., 2001. P.S. Barbeau et al, IEEE NS50 (2003) 1285 R. Chechik et al, NIMA 535 (2004) 303 Parametri geometrici: Diametro foro: 0.2 – 1 mm passo : 0.5 – 5 mm spessore : 0.2 – 3 mm

20 20 THGEM: RIVELATORI FOTONI SINGOLI CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE  Fotorivelatori per RICH  COMPASS RICH-1  Upgrade ALICE (VHMPID)  5 anni di lavoro   caratterizzate > 50 differenti THGEM   ottimizzazione dei parametri geometrici ed operativi   In parallelo :   Ingegnerizzazione verso le grandi dimensioni Wires (Drift) Wires (protection)

21 21 THGEM: RIVELATORI A LIQUIDI NOBILI Rivelatori a THGEM in ambiente criogenico (alternativo a GEM)  gas / liquido (con finestra) / doppia fase CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Esempi di utilizzo nella fisca fondamentale: rivelatori a Ar-L per fisca e astrofisica, decadimento del p

22 22 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE RD51

23 23 RD51  I MPGD sono nati grazie ad alcuni geniali inventori  Questo settore ha ricevuto un fondamentale boost grazie a RD51: “ The proposed R&D collaboration, RD51, aims at facilitating the development of advanced gas-avalanche detector technologies and associated electronic-readout systems, for applications in basic and applied research.” (RD51 proposal, 28/7/ 2008)   RD51 approvata (5/12/2008) per 5 anni. – Si sta richiedendo il prolungamento. CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE > 70 Istituti da 4 continenti: > 70 Istituti da 4 continenti: Europa, Nord e Sud America, Asia, Africa ~ 500 fisici ~ 500 fisici

24 24 RD51OBIETTIVI In generale: progredire nello sviluppo tecnologico dei MPGD  Sviluppo rivelatori innovativi  Ottimizzare le architetture (***)  Sviluppare nuove geometrie e nuove tecniche (***)  Sviluppare standard comuni di test e qualita’ (**)  Ottimizzare la comunicazione e la condivisione di conoscenze/esperienze/risultati (***) !!!  Sviluppo di strumenti  Sistema di lettura elettronica dedicato, modulare ed estendibile (***)  Sviluppare e mantenere un software package per la simulazione dei rivelatori a gas (in particolare MPGD) (***)  Trasferimento tecnologico all’industria per produzioni di massa (**)  Sviluppo di infrastrutture comuni  test beam comune (**)  attrezzature comuni per la produzione (***)  Un ponte verso l’applicativo  Collaborazione con l’industria per le applicazioni (*) CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE

25 25 Problematiche manutenzione di Garfield ++ Sezioni d’urto (MAGBOLTZ, coll. Con LXCAT) le scale degli elettrodi sono ~ libero cammino medio e - simulazione del trasporto a distanze micrometriche garndi variazioni E su scale micrometriche (FEM, NEBEM) RD51, ESEMPI DI ATTIVITA’ CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Scalability from small to large system Common interface for replacing the chip frontend Integration of proven and commercial solutions for a minimum of development availability of a very robust and supported DAQ software package Scalable Readout System (SRS) Strumenti per la simulazione Silumazione, migliorie eff. fisici: - - Penning transfer - - fluttuazione del guadagno - - rivelazione dei n - - feedback dei fotoni - - fluorescenza VUV Specifico per MPGD guadagni e charging up del dielettrico

26 26 RD51, ESEMPI DI ATTIVITA’, cont. CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE LABORATORIO ED ATTREZZATURE COMUNI PER LO SVILUPPO e LA PRODUZIONE RICERCA DI PARTENER INDUSTRIALI PER LA PRODUZIONE MASSICCIA GEM Technology : New Flex (Korea, Seoul) Tech-ETCH (USA, Boston) Scienergy (Japan, Tokyo) Techtra (Poland) THGEM Technology : ELTOS S.p.A (Italy, Arezzo) PRINT ELECTRONICS (Israel) Micromegas Technology : TRIANGLE LABS (USA, Nevada) ELTOS S.p.A. (Italy, Arezzo) SOMACIS (Italy, Castelfidarco) CIREA (France, CHOLET) PARTNERPOTENZIALI INDUSTRIALI: rinnovamento e potenziamento del laboratorio CERN di supporto a sviluppo e produzione prototipi MPGD (parco macchine utensili e lavorazioni chimiche) progetto approvato (2009) dal CERN, possibile anche attraverso un finanziamento UE – progetto AIDA OBIETTIVI: GEM50 x 50 cm 2 GEM, single mask50 x 100 Bulk MM100 x 200 THGEM100 x 200

27 27 RD51: GLI EVENTI  2 meeting di collaborazione RD51 / y dal maggio 2008  2 miniweek RD51 / y: formato miniworkshop  Promossa una serie di conferenze dedicate con cadenza biennale  MPGD2009 Kolompary, Grecia  MPGD2011 Kobe, Giappone  MPGD2013 Saragozza, Spagna  Le scuole di RD51per ricercatori giovani e non  GEM & Micromegas & assembly and training, Feb. 2009 (fra i docenti: G. Bencivenni)  MPGD simulation: 19-21/1/2011  Contributions to the EDIT School: 2011 @ CERN; 2012 @ Fermilab  Gli incontri a carattere tecnologico  Industrial Applications of MPGDs – Annecy – April 26-27, 2012 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE

28 28 RD51 & INFN INFN in RD51(coordina G. Catanesi): CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE Contributi INFN a RD51  Nel team editoriale del proposal:  S. Dalla Torre  Management Board  G. Bencivenni  S. Dalla Torre  Chair del Collaboration Board:  S. Dalla Torre Bari Cagliari Trieste PisaSiena Torino LNF Sapienza Napoli LHCb KLOE2 COMPASS TOTEM ATLAS CMS Roma 3 Sanita’ (+ BA, CT, GE) NEW JLAB12 - CSN III CSN I

29 29 CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE CONCLUSIONI

30 30 MPGD: la nuova frontiera dei rivelatori a gas  gia’ ampiamente utilizzati in esperimenti di fisica nucleare e subnucleare  HeraB  COMPASS  stanno conquistando un posto importante negli esperimenti LHC  sono gia’ utlizzati in LHCb, TOTEM  sono proposti per gli upgrade di ATLAS, CMS, ALICE  Sono trasversali all’uso in varie branche della ricerca fondamentale  lettura TPC T2K  lettura ionizzazione e scintillazione in rivelatori criogenici a liquidi nobili  TPC e calorimetria a ILC  Ideali per applicazioni, ad esempio:  Rivelazione di neutroni  Monitor di fascio  Dosimetria in ambienti radioattivi CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE

31 31 IL RUOLO di RD51  Con RD51:  da poche applicazioni di avanguardia  una folla di progetti di ampio respiro e larga scala  Continuazione di RD51, le sfide   Consolidamento della tecnologia :  Ingegnerizzazione delle tecnologie esistenti  Sviluppo di nuove soluzioni tecnologiche  Studio di materiali e tecnologie alternative per migliorare le performances degli MPGD  Nuove geometrie  Integrazione con altre tecnologie  Produzione di massa e industrializzazione  Individuazione e sviluppo di nuove applicazioni, ad esempio:  Portal imaging in radio/hadro terapia  Imaging di contaminazione di radioisotopi  emettitori  Trasferimento culturale: scuole al CERN e nel mondo CSNI, Milano 25-26/3/2013 MPGD & RD51 Silvia DALLA TORRE