Lezione 12 Misure di posizione e ionizzazione

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1 Lezione 12 Misure di posizione e ionizzazione
Gli elettroni e gli ioni primari e secondari prodotti per ionizzazione sono pochi ( ~100 in un cm di gas)  Evitare il più possibile la ricombinazione (evitare il più possibile la presenza di gas elettronegativi quale Acqua ed Ossigeno) Forti campi elettrici  moltiplicazione a valanga, alto guadagno Rivelatori di Particelle

2 Lezione 12 Misure di posizione e ionizzazione
ionizzazione: si raccoglie tutta la carica nessuna moltiplicazione delle coppie ione-elettrone. proporzionale: presente una moltiplicazione a valanga. Il segnale dell’apparato è proporzionale alla ionizzazione  misura di dE/dx e guadagno proporzionale limitato  saturazione  streamer. Forte emissione di fotoni, moltiplicazioni a valanga secondarie, alti guadagni (1010)  elettronica semplice. geiger: grossa fotoemissione, il filo anodico è tutto coinvolto, regime di scarica eliminata abbassando HV. Necessari forti moderatori. Rivelatori di Particelle

3 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Una camera ad ionizzazione è un apparato che misura la perdita di energia per ionizzazione di una particella carica o la perdita di energia di un fotone (effetto fotoelettrico, compton o produzione di coppie). In linea di principio il materiale attraversato dalla particella può essere un gas (e.g. Argon) oppure un liquido (e.g. calorimetri ad argon o kripton o xenon liquido) od un solido (camere ad ionizzazione a stato solido). Non c’è alcuna moltiplicazione delle coppie ione-elettrone primarie e secondarie. Rivelatori di Particelle

4 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Nel caso più semplice una camera ad ionizzazione consiste in un sistema di elettrodi paralleli. Un voltaggio applicato fra gli elettrodi produce un campo elettrico omogeneo. Gli elettrodi sono montati in una scatola a tenuta riempita di gas o liquido o solido. Il campo elettrico nella camera è costante E=V0/d R d catodo anodo segnale particella -Vo x carica q a distanza x dall’anodo  U=qV(x) se la carica si sposta di dx  DU=qV(x+dx)-qV(x)=qEdx La variazione di energia potenziale DU deve essere compensata dal lavoro del generatore V0idt=V0dQ  qEdx=V0idt  i=q(v/d) i è dunque il segnale in corrente. x Rivelatori di Particelle

5 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Il segnale in corrente è proporzionale alla velocità di deriva v ed inversamente proporzionale alla distanza d fra gli elettrodi. Il segnale in corrente nel caso di particella // agli elettrodi, distante x dall’anodo è costante: i=Ne(v/d) N = elettroni prodotti e dura un tempo tD=x/v, fino a quando cioè tutti gli elettroni hanno raggiunto l’anodo. Questa corrente i non è altro che idt=dQ dove dQ è la variazione di carica sugli elettrodi. Avremo quindi sugli elettrodi una carica indotta Q(t) che cresce nel tempo come segue: Q(t)=Net/tD Rivelatori di Particelle

6 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Se la particella attraversa la camera come in figura: Assumiamo densità di carica uniforme per unità di lunghezza nella gap al tempo t=0 pari a qs/d=Ne/d; al tempo t<tD alcuni elettroni saranno arrivati sull’ anodo e la carica nella gap sarà q(t)=qs(1-t/tD)  la corrente sarà qs/tD a t=0 e =0 a t=tD ovvero: i(t)=(qs/tD)(1-t/tD) Nel tempo in cui ho delle cariche nel condensatore, modifico la carica sulle piastre del condensatore stesso. Integrando nel tempo la corrente otteniamo la variazione di carica sugli elettrodi. La carica sugli elettrodi cresce quadraticamente nel tempo e diventa qs/2 per t=tD  DQ(t)=qs(y-y2/2) (y=t/tD). d - + t i(t) Rivelatori di Particelle

7 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Per la generazione del segnale elettrico possiamo considerare 2 casi limite: Il potenziale del condensatore è mantenuto costante dal generatore esterno  possiamo considerare il sistema come un generatore di corrente Il contatore è isolato (condensatore carico isolato)  la tensione ai capi delle due piastre deve diminuire  possiamo considerare il sistema come un generatore di tensione. R1 R2 C2 C1 -HV A R1 connette la camera all’alta tensione ed è normalmente molto grande. C1 descrive la capacità della camera, C2 disaccoppia l’anodo dall’eventuale alta tensione, R2 è l’impedenza d’ingresso (interna ed esterna) dell’amplificatore A. Rivelatori di Particelle

8 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Nell’ipotesi che R2C2 e R2C1 sono piccole se paragonate al tempo tD dell’impulso siamo nel caso i)  la variazione di energia (rispetto a QV cioè a quella senza particella) è : De=DQ(t)V  i(t)=dDQ(t)/dt=(qs/tD)(1-t/tD) ed il segnale è la corrente in R2. Segnale con tempo di salita piccolissimo (idealmente nullo) e di durata tD. Se invece R2C2 e R2C1 sono grandi rispetto a tD (caso ii)) la carica sulle piastre del condensatore viene mantenuta costante e deve variare V.  dalla conservazione dell’energia:De=QDV(t)  DU|q+D[1/2CV2]=0  -qEdx=CV0DV Siamo praticamente al caso precedente (ricorda DQ=CDV  DV=DQ/C). Il segnale sale linearmente nel tempo fino a tD. R1 R2 C2 C1 -HV A Rivelatori di Particelle

9 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Abbiamo ignorato il segnale dovuto agli ioni positivi. Ciò è abbastanza realistico in quanto arrivano molto dopo gli elettroni. Se introduciamo un R’C’ all’ingresso dell’amplificatore tale che: Dt-<R’C’<<Dt+ Avremo un segnale in tensione essenzialmente dovuto solo agli elettroni. Rivelatori di Particelle

10 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Possiamo anche utilizzare un contatore ad ionizzazione cilindrico. Il campo elettrico sale come 1/r andando verso l’anodo. La velocità di deriva non è più costante, ma la diffusione è, in buona approssimazione, costante. 2a b anodo catodo R +V0 Il potenziale della camera cilindrica può essere ricavato dall’equazione di Laplace 2V=0  V=(-CV0/2pe)ln(r/a) E=(CV0/2pe)(1/r) r è la distanza radiale dal filo ( di raggio a ), V0 il potenziale applicato al filo, e la costante dielettrica del gas e C=(2pe/ln(b/a)) la capacità per unità di lunghezza del condensatore cilindrico. Rivelatori di Particelle

11 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
In questa configurazione (cilindrica) il tempo di deriva degli elettroni è : L’impulso in tensione generato dal moto degli elettroni può essere ricavato dalla conservazione dell’energia ( l lunghezza del cilindro): Analogamente per gli ioni: Se b>>a il contributo degli elettroni è dominante: e.g. b/a=103 e r=b/2  Rivelatori di Particelle

12 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Abbiamo introdotto la camera ad ionizzazione con gas, essenzialmente per capire come si forma il segnale. Il segnale, dovuto essenzialmente agli elettroni è comunque molto piccolo, in quanto poche sono le coppie prodotte. Camere ad ionizzazione sono invece spesso usate con elementi liquidi nobili. (e.g. calorimetri a Argon, Kripton o Xenon liquidi) Rivelatori di Particelle

13 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Camere ad ionizzazione con liquidi. I liquidi hanno parecchi vantaggi rispetto ai gas quando usati per la misura di dE/dx o di E. La densità di un liquido è ~ 1000 volte superiore a quella del gas  anche dE/dx o il numero di ionizzazioni è ~ 1000 volte più grande. L’energia necessaria per produrre una coppia ione-elettrone è Wi(LAr)=24eV, Wi(LKr)=20.5 eV e Wi(LXe)=16 eV  per 1 MeV di energia assorbita ci si attende N ≥ 4x104 elettroni  dN/N=s(E)/E=N-1/2<10-2. Elementi nobili liquidi sono usati quali calorimetri (quasi omogenei) sia elettromagnetici che adronici. Il problema maggiore sono le impurità elettronegative (essenzialmente ossigeno), ma è possibile raggiungere impurità non superiori a 0.2÷8 ppm. Il cammino libero medio lt degli elettroni (prima che vengano catturati dalle impurità) è inversamente proporzionale alla concentrazione k delle impurità. Con basse concentrazioni di impurità k, lt può essere qualche mm  camere ad ionizzazione con gap di qualche mm. La mobilità me in argon liquido (purificato) con un campo E= 1MV/m è me=4x10-3 m2/(Vs)  vD=4x103 m/s simile a quella in argon gassoso con un campo E=100 KV/m. In compenso la mobilità degli ioni nei liquidi è molto bassa  possiamo trascurare il moto degli ioni ancor più che nelle camere ad ionizzazione a gas. Rivelatori di Particelle

14 Lezione 12 Camere ad ionizzazione
Tabella : proprietà di alcuni gas nobili liquidi Liquido LAr LKr LXe Numero atomico Z 18 36 54 Peso atomico A 40 84 131 Temp. di liquef. Tm (K) 83.6 115.8 161.2 Temp di vap. sat. Tb (K) 87.1 119.6 164.9 Densità (g/cm3) 1.4 2.45 3.06 Lung. di radiaz. X0 (cm) 13.5 4.60 2.77 Raggio di Moliere 10.0 6.6 5.7 Wi (eV) 23.6 20.5 15.6 me (m2/Vs) E=104 V/m 0.047 0.18 0.22 me (m2/Vs) E=106 V/m 0.004 0.005 0.0025 Fattore di Fano F 0.107 0.057 0.041 Rivelatori di Particelle

15 4Lezione 12 Contatori proporzionali
Aumentando il campo elettrico andiamo nella zona proporzionale (pag.2), alto guadagno e moltiplicazione a valanga. La moltiplicazione avviene quando gli elettroni della ionizzazione primaria guadagnano abbastanza energia per ionizzare altre molecole moltiplicazione secondaria, terziaria ….. La probabilità a=1/l di una ionizzazione per unità di lunghezza è chiamata primo coefficiente di Towsend. l= cammino libero medio dell’elettrone prima di un’altra ionizzazione. Se ci sono n elettroni in dx  dn=nadx nuove coppie e-ioni create. Integrando  n=n0eax dove n0 è il numero di elettroni primari  il guadagno M=n/n0=eax Più in generale se E non è uniforme, ma f(x) avremo: Restiamo in regime proporzionale con M fino a ~ 106. Rivelatori di Particelle

16 Lezione 12 Contatori proporzionali
a: First Townsend coefficient (e--ion pairs/cm) l: mean free path Gain (F. Saul, CERN 77-09) (O. Aloofer, Spark chambers, Teeming Munched, 1969) e Rivelatori di Particelle

17 Lezione 12 Contatori proporzionali
Il contatore proporzionale cilindrico. Essenzialmente identico alla camera ad ionizzazione cilindrica ma …. il segnale è dato dal moto degli ioni positivi invece che dal moto degli elettroni. C = capacitance / unit length Gli e driftano verso l’anodo dove il campo è sufficientemente alto (alcuni KV/cm), ed acquistano abbastanza energia da moltiplicarsi. r (C=2pe/ln(b/a) ) Rivelatori di Particelle

18 Lezione 12 Contatori proporzionali
Scelta del gas. I fattori che determinano la scelta del gas sono: relativamente bassa d.d.p fra gli elettrodi alto guadagno alta ionizzazione specifica risolvere alto rate basso costo Rivelatori di Particelle

19 Lezione 12 Contatori proporzionali
I gas nobili vanno bene. L’argon è nobile, denso e costa poco, ha un’alta ionizzazione specifica, ma ha anche una notevole eccitazione.  per guadagni al di sopra di 103÷104 scarica Rivelatori di Particelle

20 Lezione 12 Contatori proporzionali
La dis-eccitazione dei gas nobili è possibile solo emettendo fotoni (e.g eV per l’argon). Questa energia è sopra soglia per la ionizzazione dei metalli (e.g. Cu 7.7 eV). Soluzione : si aggiungono dei gas poliatomici ( CH4, C4H10, etano, alcol …), oppure CO2, BF3. Queste molecole funzionano da moderatori (quencers) in quanto assorbono i fotoni irraggiati dissipando l’energia dissociandosi o con collisioni elastiche Rivelatori di Particelle

21 Lezione 12 Contatori proporzionali
 guadagni fino a 106 L’uso di moderatori organici comporta problemi di invecchiamento. Infatti la ricombinazione o dissociazione di molecole organiche comporta la formazione di polimeri solidi o liquidi che si accumulano sull’anodo e sul catodo. Quando il flusso di radiazione è molto alto la velocità di produzione di ioni è maggiore di quella di assorbimento nel catodo  formazione di carica spaziale  scarica continua. Soluzione: pulizia completa della camera o/e aggiunta di piccole quantità di gas non polimerizzante (methylal o alcol propilico). Questi alcol cambiano gli ioni molecolari al catodo in una specie non polimera attraverso un meccanismo di scambio di ioni. I moderatori possono assorbire fotoni in un ampio range di energie, in quanto hanno molti livelli rotazionali e vibrazionali. Ad esempio il metano ha una banda di assorbimento 7.9÷11.5 eV.  gas usato miscuglio 90% Ar 10% CH4 70% Ar 30% C4H10 Rivelatori di Particelle

22 Lezione 12 Contatori proporzionali
Formazione della valanga La valanga si forma molto vicino all’anodo (pochi raggi di distanza ed in 1ns) A causa delle cariche in moto si induce un segnale sia sul catodo che sull’anodo (F. Sauli, CERN 77-09) Rivelatori di Particelle

23 Lezione 12 Contatori proporzionali
Formazione del segnale Consideriamo il condensatore cilindrico isolato (contatore proporzionale). Dalla conservazione dell’energia abbiamo un cambiamento di potenziale, dovuto allo spostamento della carica: Ed i segnali dovuti agli elettroni ed ioni sono rispettivamente (se la moltiplicazione si ha a distanza r’ dall’anodo): Rivelatori di Particelle

24 Lezione 12 Contatori proporzionali
Gli elettroni sono molto vicini all’anodo ed r’~a cioè piccolo cammino d’integrazione. Gli ioni devono muoversi fino al catodo (negativo) cioè da r’ fino a b.  gli elettroni contribuiscono ben poco al segnale Esempio: a= 10mm, b=10mm r’=a+1mm  V-/V+ ~1%  Il segnale indotto è praticamente dovuto solo al moto degli ioni positivi. Rivelatori di Particelle

25 Lezione 12 Contatori proporzionali
Sviluppo temporale del segnale.. (ioni). ma poiché tutti gli ioni partono da r ~ a r(0)=a; integrando ottengo:  m = mobilità degli ioni Rivelatori di Particelle

26 Lezione 12 Contatori proporzionali
Il tempo totale di deriva degli ioni è : T=(t0/a2)(b2-a2) Siccome non è necessario utilizzare tutto il segnale questo viene normalmente differenziato (RC) per ridurre il tempo morto. (F. Sauli, CERN 77-09) Rivelatori di Particelle

27 Lezione 12 Contatori Geiger
Abbiamo visto le camere ad ionizzazione ed il contatore proporzionale. Se aumentiamo il campo elettrico in un contatore proporzionale abbiamo una copiosa produzione di fotoni durante la formazione della valanga  produzione di valanghe secondarie e la scarica si propaga su tutto il filo anodico. Guadagni fino a 1010. Si perde la proporzionalità fra il segnale e la ionizzazione primaria. Gli elettroni vengono rapidamente assorbiti dall’anodo mentre gli ioni si muovono lentamente verso il catodo, dove con una certa probabilità possono creare nuovi elettroni ed altre valanghe  bisogna interrompere la scarica  L’ anodo viene alimentato tramite un’altissima resistenza R in modo che il voltaggio dell’anodo U0-IR e’ sotto soglia per innestare il modo Geiger. (quencing tramite resistenza). + - La R deve essere scelta in modo che la costante di tempo RC sia tale da mantenere il voltaggio sotto soglia per il Geiger per tutto il tempo che gli ioni impiegano ad arrivare al catodo  millisecondi  basso rate. Altro modo aggiungere metano, isobutano etc che assorbono i fotoni ultravioletti  scarica solo vicino all’anodo. Rivelatori di Particelle

28 Lezione 12 Contatori Streamer
Nei contatori Geiger abbiamo approssimativamente 90% Argon e 10% Isobutano (quencing). I fili anodici hanno un diametro di circa 30mm e l’anodo è ad una tensione di circa 1 KV. Se aumentiamo la proporzione del gas di quencing possiamo eliminare la propagazione della scarica lungo tutto l’anodo, ma avere solo una piccola zona del filo interessata come nel tubo proporzionale, pur mantenendo un alto guadagno (1010).  regime streamer ( tubi di Iarocci). I tubi di Iarocci funzionano con fili “spessi” ( 50÷100 mm) e con misture di gas ≤60% Argon e ≥40% Isobutano ed alta tensione del filo anodico (~5KV). In queste condizioni si passa direttamente dal regime proporzionale (o proporzionale limitato) al regime streamer senza avere il modo di funzionamento di tipo Geiger. Anche in questo caso si perde la proporzionalità con la ionizzazione primaria Rivelatori di Particelle