Rivelatori a gas
Sfruttano il fenomeno della ionizzazione e della
raccolta (mediante un campo elettrico) delle
cariche prodotte in un gas
Ioni +
Possono essere usati in
● Current mode
● Pulse mode
Elettroni
La ionizzazione
Interazione ---> Eccitazione e ionizzazione molecole
Processi diretti e mediante delta rays
Quante coppie di ioni/elettroni si formano?
Potenziale di prima ionizzazione gas: 10 - 25 e V
Energia necessaria per creare una coppia di ioni: 25 – 40 eV
(maggiore a causa di processi di eccitazione senza ionizzazione)
La ionizzazione
W-values
Gas
W (eV/electron)
Ne
36.2
Ar
26.2
Xe
21.5
P10 (Ar + 10% CH4)
Dipendenti dal tipo di
particella incidente e
dall’energia
26
W-values: miscele di gas
Fluttuazioni e risoluzione
Esempi (w=30 eV)
Energia dep.
100 keV
1 MeV
# coppie
√N
√N/N
3330
58
1.7%
33300
183
0.5 %
Se Energia depositata = Energia totale: fluttuazioni nulle
Fluttuazioni dell’ordine di σ= √N (distribuzione di Poisson) se
l’energia depositata è < Energia totale
Fattore di Fano F: σ= √F N (distribuzione non di Poisson)
Diffusione e ricombinazione/1
Le cariche, una volta prodotte, possono:
● Diffondere
In assenza di campo elettrico, le cariche diffondono
Libero cammino medio ~ 10-8 – 10-6 m
Velocità termica proporzionale a √kT/m
v_elettroni >> v_ioni
T_ambiente: v_elettroni ~ 106 cm/s, v_ioni ~ 104 cm/s
Distribuzione delle distanze percorse (D = coefficiente di diffusione,
t=tempo, p=pressione, σ0=sezione d’urto interazione):
N0
dN
e
dx
4Dt
X 2
4 Dt
6Dt
2
1
D
3 p 0
(kT )3
m
Diffusione e ricombinazione/2
● Ricombinarsi
Processi possibili:
Ricombinazione di ioni positivi
con elettroni o con ioni negativi
Ricombinazione di elettroni con
ioni positivi o molecole
elettronegative
Per essere rivelati, elettroni e ioni positivi devono sopravvivere per un
tempo almeno pari al tempo di raccolta sugli elettrodi (non devono
ricombinarsi prima)
Alcuni gas elettronegativi hanno tempi di attaccamento molto brevi!
Esempio: O2 140 ns
Migrazione e mobilità/1
● Migrare
Sotto l’azione di un campo elettrico, le cariche si muovono
con una velocità di drift sovrapposta al moto casuale
dovuto all’agitazione termica.
Velocità di drift:
Vdrift = μ E/p E=campo elettrico, p=pressione
μ = mobilità in m2 atm /V s
Mobilità molto maggiori per elettroni che per gli ioni
Ad esempio in Ar: μe = 2 104 μioni = 1.5
Le velocità di drift sono corrispondentemente molto più
elevate per gli elettroni
Ad esempio in Ar: ve = 3 105 cm/s
vioni = 3 102 cm/s
Migrazione e mobilità/2
Migrazione e mobilità/3
Tempi di raccolta tipici per elettroni ~ microsecondi
Tempi di raccolta tipici per ioni
~ millisecondi
E=0
E>0
Electric field
Migrazione e mobilità/4
Le velocità di drift possono
essere accuratamente misurate e
calcolate per gas specifici, per
valutare la risposta dettagliata di
un rivelatore
Per piccoli valori di E/p la
velocità è proporzionale a
questa quantità
Struttura base di un rivelatore a gas/1
Lo schema di principio di un rivelatore a gas
include un recipiente a tenuta di gas, con 2
elettrodi (ad esempio: condensatore piano) e una
d.d.p.
Un eventuale condensatore
caricato staticamente si
scaricherebbe tuttavia a
causa della ionizzazione
Struttura base di un rivelatore a gas/2
R
Segnale
ΔV(t)
+
-
Esempio: C=50 pF
E_dep= 5 MeV
ΔV = Q/C = e E_dep/(w C) = 0.5 mV
Per rispondere ad impulsi singoli il
rivelatore (condensatore) deve essere
polarizzato mediante una resistenza R
di valore molto elevato (107-108 Ω)
Formazione dell’impulso/1
Quando le cariche prodotte vengono raccolte, la
tensione agli elettrodi diminuisce dal valore V0 al valore
V0-n e/C, per poi ritornare al valore V0 con legge di
carica esponenziale (costante di tempo RC)
V0
V0 – ne/C
t
Formazione dell’impulso/2
L’impulso di tensione è la somma di 2
componenti: quella dovuta agli elettroni
e quella dovuta agli ioni positivi.
La forma dipende dalla costante di
tempo RC
ΔV
t
RC=∞
-n e/C
Formazione dell’impulso/3
La forma dipende dalla costante di
tempo RC.
ΔV
Se si adopera una costante di tempo
intermedia tra il tempo di raccolta degli
elettroni e quello degli ioni positivi, si
avrà un impulso più veloce ma di
ampiezza minore.
-½ n e/C
-n e/C
t
T- < RC< t+
Formazione dell’impulso/4
Tale impulso dipende inoltre
dalla posizione della traccia
nel volume sensibile
d-x
V = (n e/C) x/d
Si possono adoperare costanti di tempo RC < tIn questo caso l’ampiezza dell’impulso è
proporzionale a n e/C, ma è molto piccola
x
Formazione dell’impulso/5
In alternativa si utilizza
una struttura detta griglia
di Frisch
V
G
VG
Volume sensibile
La griglia scherma l’anodo dalla
induzione degli ioni positivi. L’anodo
misura così un segnale legato solo
agli elettroni, indipendente dalla
posizione della traccia
Moltiplicazione
Moltiplicazione
Moltiplicazione
Moltiplicazione
Moltiplicazione
Regimi di lavoro dei rivelatori a gas
A seconda del campo
elettrico un rivelatore può
lavorare in vari regimi,
assumendo nomi differenti
Geometrie dei rivelatori a gas
Sono possibili diverse configurazioni
geometriche, a seconda delle
dimensioni, del regime in cui i
rivelatori devono operare e delle
performance richieste.
V
Geometria “piana”, equivalente ad
un condensatore a facce piane e
parallele.
Campo elettrico uniforme
E = V/d
Usata tipicamente per lavorare in
regime di camera a ionizzazione
d
La geometria cilindrica
Spesso usata per i
contatori Geiger
In questa geometria, un filo sottile
di raggio a costituisce un
elettrodo, mentre l’altro è
costituito dal cilindro esterno, di
raggio b.
Il campo elettrico, molto elevato,
è dato da:
E(r) = V/ [r ln(b/a)]
Esempio:
a =0.01 cm b =1cm V=1000 V
E(r=0.01 cm) ~ 21 kV/cm
Proprietà del contatore Geiger/1
In un contatore Geiger si producono delle scariche a valanga,
con il risultato di un impulso molto elevato (dell’ordine dei V).
Il segnale è indipendente dalla ionizzazione primaria (tipo di
particella ed energia). Fornisce quindi solo un conteggio delle
particelle.
Proprietà del contatore Geiger/2
Il contatore Geiger lavora con un campo
elettrico molto elevato, in una regione di
“pianerottolo”.
Pendenza pianerottolo: 2-3%/V
Proprietà del contatore Geiger/3
Sensibilità di un Geiger alle varie particelle:
Elettroni:
Sensibile agli elettroni, ma le pareti offrono un assorbimento non
trascurabile. Efficienza intrinseca 100%.
Spessore finestra ingresso
4 mg/cm2
30 mg/cm2
Coefficiente trasmissione
85 %
30 %
Raggi γ
Efficienza intrinseca nulla. In effetti 1-2 %, a causa della
creazione di elettroni nelle pareti del Geiger.
Cosmici (muoni)
Efficienza 100 %, nessun effetto schermante delle pareti
Configurazioni geometriche
La geometria cilindrica non è la sola in grado di generare un elevato campo elettrico
parallel plate
strip
hole
groove
Rivelatori a gas moderni
A parte i contatori Geiger, ancora adoperati in piccoli
sistemi di rivelazione o per uso didattico, camere a
ionizzazione e contatori proporzionali sono usate di rado o
solo per specifiche applicazioni (ad esempio in campo
medico)
Esistono tuttavia molte versione “moderne” di rivelatori
a gas, usate anche nei moderni esperimenti di fisica
nucleare e astroparticellare.
Esempi:
MWPC (MultiWire Proportional Chambers)
Drift Chambers
TPC (Time Projection Chambers)
MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers)
…
MWPC: Multiwire Proportional Chambers
Inventata nel 1968. Si comporta come un insieme di contatori
proporzionali indipendenti, sensibili alla posizione (risoluzione
spaziale circa 1 mm). Usata ancora oggi nei sistemi di
tracciamento. Lettura dati del tipo SI/NO, eventualmente con
baricentro.
MWPC: Multiwire Proportional Chambers
Geometrie tipiche
con fili da 20 micron
e spaziatura di 1 mm
Risoluzione
spaziale
d
x
12
for d = 1 mm circa 0.3 mm
G. Charpak, F. Sauli and J.C. Santiard
Drift Chambers
Versione delle MWPC con lettura del tempo di drift in ogni filo.
Consente risoluzioni migliori, ma richiede un’elettronica più
complessa.
TPC: Time Projection Chambers
Rivelatore 3D capace di
ricostruire la traccia e di
fornire anche il segnale dE/dx
per la identificazione.
La TPC dell’esperimento
ALICE@LHC, la più grande mai
costruita finora
E
E
La coordinata z (assiale)
viene misurata dal tempo di
drift, le coordinate (x,y)
dalla particolare pad che
raccoglie il segnale.
Risoluzione tipiche: 0.5 mm
E
E
