Rivelatori per la Fisica delle Alte Energie - fisgeo.unipg.itvaldata/rivelatori/Lezioni/lezione14.pdf · Rivelatori di Particelle 11 Lezione 14 ... (>ionizzazione), ma attenzione,

Rivelatori di Particelle 1

Lezione 14

Camere a deriva

Possono essere considerate come derivate delle camere proporzionali.

In questo caso ricavo la coordinata misurando un tempo.

Measure arrival time of

electrons at sense wire

relative to a time t0. anode

TDCStart

StopDELAY

scintillator

drift

low field region

drift

high field region

gas amplification

dttvx D )(

x


Lezione 14

Camere a deriva

Vantaggi di una camera a deriva rispetto ad una MWPC:

più facile da costruire da un punto di vista meccanico (fili più

lontani minori le forze elettrostatiche)

meno fili meno elettronica (anche se più costosa)

migliore precisione (non più limitata alla distanza dei fili /(12)1/2.

I parametri fondamentali sono:

diffusione (buono se piccola)

velocità di deriva (ottimo se costante). Tipiche velocità di deriva (con argon-isobutano nelle proporzioni 75%-25% e campi elettrici E~700-800V/cm) ~50 mm/ms.


Lezione 14

Camere a deriva

Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in

presenza di elementi elettronegativi.


Lezione 14

Camere a deriva

Diffusione

In presenza di campo elettrico: limite intrinseco delle camere a

deriva.

Il coefficiente di diffusione diminuisce aumentando il campo elettrico (con campi

tipici di 1KV/cm la risoluzione è ~100mm per una distanza di deriva di 1 cm).

Concludendo:

In presenza di campo elettrico, aumentando il campo diminuisce la diffusione

usare gas “freddi” (CO2) che hanno elettroni termici anche con alti E bassa

moltiplicazione (male) e lungo tempo di deriva (bene).

Gas “caldi” (Argon) hanno elettroni non termici anche per bassi E diffusione

anisotropa ed in genere DT>DL

In presenza di un campo magnetico la diffusione lungo B non cambia, mentre nella

proiezione ortogonale a B gli elettroni fanno archi di cerchio con raggi vT/w la

diffusione diminuisce.

0

2

eV

KT

xx


Lezione 14

Camere a deriva

La risoluzione non è determinata dalla spaziatura dei fili meno fili, meno

elettronica, meno strutture di sostegno rispetto alle MWPC.

Resolution determined by

• diffusion,

• path fluctuations,

• electronics

• primary ionization

statistics

(N. Filatova et al., NIM 143 (1977) 17)


Lezione 14

Camere a deriva

sense field

Dalla figura si vede chiaramente

come la risoluzione dipende dalla

ionizzazione primaria (distribuita alla

Poisson)

Al limite la risoluzione è migliore per

tracce lontane.


Lezione 14

Camere a deriva

Camere a deriva piane.

Ottimizzare la geometria in modo da avere E costante.

Scegliere un gas con una velocità di deriva che dipenda poco da E relazione

spazio-tempo lineare.

(U. Becker, in: Instrumentation in High Energy Physics, World Scientific)

E(x) non è costante vD

non è costante.

Un po’ meglio della

configurazione di sopra

E costante s=so+bt


Lezione 14

Camere a deriva

Ambiguità destra sinistra: la misura di tempo non può discriminare fra destra e sinistra

staggering

t1

t2 t1+t2= tempo per percorrere ½ cella

Se la cella è di ±5 cm ( 50 mm/ms )

t1+t2= 1 ms.


Lezione 14

Camere a deriva

Camere a deriva cilindriche.

In un esperimento ad anelli di collisione conviene usare camere a deriva cilindriche, in

quanto ermetiche e facile coprire un grande angolo solido.

Sezione trasversa di una camera

cilindrica.

Strati di fili (anodi, sense) sono

separati da fili di potenziale (catodi)


Lezione 14

Camere a deriva

Camere a deriva cilindriche.

Configurazione più semplice che fornisce un

campo non proprio al meglio

La qualità del campo può essere migliorata con una

configurazione a cella chiusa, come indicato .


Lezione 14

Camere a deriva

Straw tubes.

Catodo cilindrico sottile ed un filo anodico.

Straw tubes o pixel al silicio sono quasi sempre usati per trovare il vertice dell’interazione

negli esperimenti ai collider (ad LHC pixel al silicio).


Lezione 14

Camere a deriva

La misura della coordinata z ( quella // al filo anodico) è normalmente

misurata tramite

divisione di carica (filo resistivo)

misura di tempo (linee di ritardo)

Le camere a deriva cilindriche tipiche hanno 10÷15 piani di anodi

non sufficienti per identificare le particelle con misure di dE/dx

camere a jet : ottimizzate per avere il massimo numero di misure

nella direzione radiale.

camere a jet : ottimizzato il campo per avere una velocità di deriva

costante


Lezione 14

Camere a deriva

JVD di UA2


Lezione 14

Camere a deriva

JVD di UA2.

lunghezza 1000.0 mm

raggio interno 34.0 mm

raggio esterno 128.5 mm

raggio interno sensibile 40.0 mm

raggio esterno sensibile 123.8 mm

numero di settori 16

numero di sense/settore 13

spaziatura dei sense 6.44 mm

sense staggering 0.20 mm

materiale sense 25 mm di Ni-Cr

materiale fili guard-field 100 mm Cu-Be

tensione meccanica sense (501) g

spessore parete interna (fibra carbonio) 0.001 X0

spessore parete esterna (vetronite) 0.002 X0

spessore tubo alluminio 0.010 X0

spessore totale JVD (a 90o) 0.015 X0

mistura di gas argon(60%) + etano(40%)

campo elettrico nella regione di deriva -1.05 kV/cm

pressione 1 Atm

velocità di deriva 51.80.3 mm/ns


Lezione 14

Camere a deriva

JVD di UA2

La camera consiste in 16 settori con 13 celle sensibili per ogni settore. I 13 fili di sense sono alternati con dei “guard wires”, mentre due piani di fili catodici assicurano l’isolamento elettrico fra settori vicini.

I fili di sense sono sfalsati di 200 mm per risolvere l’ambiguità destra-sinistra.

La coordinata longitudinale lungo l’asse del cilindro è misurata con il metodo della divisione di carica. I fili di sense, di diametro 25 mm, sono di una lega di Ni-Cr ed hanno una resistenza di 2700 W. Sono tirati con una tensione di 501 g.

Tutti i fili di guardia in un settore sono mantenuti allo stesso potenziale negativo -1400 V, mentre i fili di sense sono a massa. I fili di campo (catodi) sono connessi in gruppi di 5 e mantenuti ad un potenziale elettrico crescente col raggio della camera.

Il gas con cui la camera è stata fatta funzionare era 40% Etano e 60% Argon

Il guadagno della JVD è stato misurato ed era 3X104 e la velocità di deriva era (51.80.3) mm/ns, costante su tutta la regione di drift.


Lezione 14

Camere a deriva

JVD di UA2

Due tracce possono essere distinte col 90% di efficienza se distanti di 2 mm (40

ns)

La risoluzione media rf era di 150 mm costante su tutto lo spazio di drift ed

essenzialmente determinata dall’elettronica di lettura.

La risoluzione sulla coordinata longitudinale (lungo il filo di sense), ottenuta col

metodo della divisione di carica (filo resistivo) era 1% della lunghezza del filo.

L’ energia media persa per ionizzazione è stata ottenuta col metodo della media

troncata. La risoluzione della perdita di energia media per ionizzazione era

/<Q>40% . Da notarsi che in UA2 non c’era alcun campo magnetico (nella

zona di operazione della JVD) e conseguentemente non era possibile usare la

JVD per identificare le particelle essendo ignoto l’impulso delle medesime.

L’ efficienza della camera era 99%


Lezione 14

Camere a deriva

Camere a jet.


Lezione 14

Camere a deriva

Camera a jet di OPAL.

Il campo E è ortogonale ai fili anodici e la camera è in campo magnetico

solenoidale (// ai fili anodici) gli elettroni seguono una traiettoria non // ad E,

ma formano con E un angolo a<v >(B/E).

Per migliorare la risoluzione (misura di dE/dx) si opera ad alta pressione (e.g. 4

atmosfere) si sopprimono le fluttuazioni della ionizzazione primaria

(>ionizzazione), ma attenzione, la pressione non deve essere troppo elevata,

altrimenti interviene l’effetto densità e dE/dx raggiunge il plateau di Fermi.

Misura della coordinata z (// ai fili anodici) con divisione di carica.

Ambiguità destra-sinistra risolta sfalsando i fili anodici di ±100 mm.


Lezione 14

TPC

TPC (time projection chamber).

Il meglio dei meglio è al momento realizzato con le time projection chambers.

Poco materiale (solo gas) minimizzo lo scattering multiplo e la conversione

dei fotoni.


Lezione 14

TPC

TPC

La camera è divisa in 2 metà tramite un elettrodo centrale

Gli elettroni di ionizzazione primaria si muovono nel campo elettrico verso le placche

finali della camera (normalmente delle MWPC). Campo magnetico // al campo

elettrico. La diffusione ortogonale al campo è soppressa dal campo B.

Il tempo di arrivo degli elettroni sulle placche finali fornisce la coordinata lungo l’asse

del cilindro (z). La moltiplicazione degli elettroni avviene vicino agli anodi. x e y si

ottengono dagli anodi e dal catodo della MWPC suddiviso normalmente in pad.

Traiettoria della particella

B

Elettrodo centrale (≈ -50kV) gas

Piano di lettura

Fili

anodici

Pad catodiche


Lezione 14

TPC

La TPC permette di determinare un punto nello spazio ( x,y,z ovvero r,f,z ).

Il segnale analogico sull’anodo fornisce dE/dx.

E//B angolo di Lorentz = 0 e la velocità di deriva è quindi parallela sia al campo elettrico che magnetico.

Il campo magnetico sopprime la diffusione ┴ al campo (Gli elettroni spiralizzano attorno a B.) Per E~ 50KV/m e B ~1.5 T raggi di Larmor ~1 mm

Richieste: i. Per misurare bene la coordinata z bisogna conoscere perfettamente la vD

calibrazione tramite laser e correzioni per la pressione e temperatura.

ii. La deriva avviene su lunghe distanze gas molto puro e sempre monitorato.

Esempi:

PEP-4 TPC p=8.5 atmosfere, Ar=80%, CH4=20% Vcentr=-55kV B=1.325T lunga 2m e con raggio 1m.

Aleph TPC lunga 4.4 m e diametro 3.6 m, risoluzione rf=173mm, z=740 mm

per leptoni isolati.


Lezione 14

TPC

Space charge problem from positive ions,

drifting back to medial membrane gating


Lezione 14

TPC

Problemi:

Molti ioni positivi creati nella zona di moltiplicazione vicino agli anodi della

MWPC che possono andare fino all’elettrodo centrale carica spaziale che

deteriora il campo si introduce una griglia (gate)

Gate open Gate closed

DVg = 150 V ALEPH TPC (ALEPH coll., NIM A 294 (1990) 121,

W. Atwood et. Al, NIM A 306 (1991) 446)

Il gate è normalmente chiuso, viene

aperto solo per un breve tempo quando

un trigger esterno segnala un evento

interessante passano gli elettroni.

Viene chiuso di nuovo per impedire agli

ioni di tornare verso l’elettrodo centrale.


Lezione 14

TPC


Lezione 14

TPC


Lezione 14

TPC


Lezione 14

TPC


Lezione 14

TPC


Lezione 14

TPC


Lezione 14

Micro Apparati a Gas

Altre camere derivate dalle camere a deriva sono:

Microstrip Gas Chambers

Micro Gap Chambers

Micro gap wire chambers

Micromegas

GEM


Lezione 14


Più velocità e maggiore precisione? strutture più piccole

Microstrip gas chambers

80 mm 10 mm 100 mm

3 m

m

backplane

drift electrode (ca. -3.5 kV)

AC (-700V)substrate

300 m

m

gas volume

geometry and typical dimensions

(former CMS standard)

(A. Oed, NIM A 263 (1988) 352)

Glass DESAG AF45 + S8900

semiconducting glass coating,

r=1016 W/

Gold strips

+ Cr underlayer


Lezione 14


ions

A C

Field geometry

Fast ion evacuation high rate capability

106 /(mm2s)

Gas: Ar-DME, Ne-DME (1:2), Lorentz angle 14º at 4T.

Passivation: non-conductive protection of cathode edges

Resolution: 30..40 mm

Aging: Seems to be under control.

10 years LHC operation 100 mC/cm

CMS

Gain 104 Il guadagno è limitato a valori relativamente bassi perché gli ioni, creati durante il processo di

formazione della valanga ed accumulati sull’isolante, modificano localmente il campo elettrico e causano una

caduta del guadagno nella zona irraggiata dell’apparato.


Lezione 14


2-6

mm


Lezione 14

Camere a deriva


Lezione 14

Camere a deriva

Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti.


Lezione 14

Camere a deriva

Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber (lez. 13 slide 31) miniaturizzata.

Quasi una micro-TPC.


Lezione 14


GEM (gas electron multiplier)

(R. Bouclier et al., NIM A 396 (1997) 50)

mm

mm

mm Kapton

+ 2 x 5-18 mm Copper


Lezione 14


Micro photo of a GEM foil

Applicando un gradiente di potenziale fra i due

lati del foglio GEM, gli elettroni rilasciati prima

del foglio GEM driftano nel buco, si moltiplicano

e sono trasferiti dall’altro lato.

Guadagno ~ 103.


Lezione 14


Single GEM

+ readout pads


Lezione 14


Double GEM

+ readout pads

Same gain

at lower voltage

Less discharges


Lezione 14

Invecchiamento di Apparati a Gas

Argomento molto complesso. Formazione della valanga ~ scarica di micro plasma.

→ Decomposizione del gas della camera + possibili gas di contaminazione

→ Radicali attivi con momenti di dipolo

→ Polimerizzazione

→ Depositi resistivi sull’anodo e sui catodi (ossidi di carbonio, composti al silicio)

Fili anodici: aumento del diametro, tanti elettroni sul filo il campo si riduce e diventa non

omogeneo guadagno che dipende dal rate

Catodi: formazione di dipoli tra gli ioni e le cariche immagine

emissione di elettroni corrente oscura

+ “fili rumorosi”, scariche possibile corrosione ed evaporazione degli elettrodi.

Età di invecchiamento = perdita dell’ampiezza relativa del segnale deposito di carica sull’anodo.

Invecchiamento R [%/(C/cm)]: DA/A=RQ/l.


Lezione 14

Invecchiamento di Apparati a Gas

L’invecchiamento relativo R può variare da valori trascurabili <10(Ar/C2H6 50/50) a valori

catastrofici >106 (CH4 + 0.1% TMAE).

R<100 è considerato un invecchiamento moderato.

L’invecchiamento può essere minimizzato con:

Scelta accurata del materiale e pulizia durante la costruzione della camera

Geometria e funzionamento della camera (diametro del filo + materiale usato, guadagno)

Gas resistenti all’invecchiamento: piccole misture di

o Acqua: aumenta la conducibilità superficiale

o Alcol, etere, methylal : buoni moderatori, riducono le propagazione laterale della valanga e sopprimono

la polimerizzazione.

Sistema per il gas pulito, nessun tubo in PVC, niente olio (bubbolatori), nessuna impronta

digitale …


Lezione 14

Simulazione delle camere

Originariamente scritto come un programma di simulazione bidimensionale per camere a

deriva, è attualmente interfacciato da:

MAXWELL mappe del campo tridimensionali (programma ad elementi finiti)

MAGBOLTZ proprietà del trasporto degli elettroni (drift e diffusione)

HEED perdita di energia di particelle cariche, dimensioni dei clusters, range, moto

irregolare dei raggi delta, fotoionizzazione …

Programma molto potente, ma non ancora molto user friendly.


Lezione 14


Alcuni esempi:


Lezione 14


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