Università degli Studi di Napoli "Federico II"
Tesi di Laurea triennale in Fisica
Caratterizzazione di una Micromegas:
misura del guadagno e della trasparenza
per una miscela di argon e anidride carbonica
Relatori:
Prof.ssa Mariagrazia Alviggi
Dott.ssa Camilla Di Donato
Candidato:
Gabriele Russo
Matricola N85/005
1
Sommario
•
•
•
•
•
ATLAS
Le Micromegas
Misura della trasparenza
Misura del guadagno
Conclusioni
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ATLAS
A Toroidal LHC ApparatuS
3
Upgrade di ATLAS
Long Shutdown 2 (2018-2019) – ATLAS Phase 1
Aggiornamento dello spettrometro di muoni
per sostenere gli alti rate e l’elevata luminosità di LHC
Rivelatori più interni
New
Small
Small
Wheel
Wheel
4
Micromegas
Micro-Mesh Gaseous Structure
I. Giomataris – G. Charpak
-HV
5 mm
Ionizzazioni primarie vdrift e- = 5 cm/µs
e secondarie
vdrift Ar+ = 0.001 cm/µs
0V
128 µm
Moltiplicazione a valanga
+HV
Non in scala
5
Campo elettrico
6
Trasparenza del rivelatore
Definizione: frazione di elettroni che giungono nella regione
di amplificazione rispetto a quelli prodotti nella regione di deriva
La trasparenza si misura in funzione dei campi elettrici
di amplificazione e di drift
2
E
ampl
Edrift 10
Edrift 0.1 1 kVcm
1
Eampl 30 50 kVcm
1
7
Guadagno del rivelatore (1)
Definizione: Numero di elettroni raccolti sull’elettrodo di
lettura diviso il numero di elettroni creati in regione di deriva.
n
M
n0
n n0 ex
n0
Approssimazione
di Rose-Korff
p
Ae Bp / E
E persa
Wgas
Epersa = energia persa dagli eWgas = energia media necessaria
a creare una coppia
x = spazio percorso dall’elettrone
α = 1/λ coeff. di Townsend
λ = cammino libero medio tra
due ionizzazioni
pDmndndndnddddddddddd
= pressione del gas
EDjdjdjdjdjdjdddddddddddddddd
= campo elettrico
Adddddddddddddddddddddddd
e B = costanti relative al gas
ln M Apde Bpd /V
8
Guadagno del rivelatore (2)
ln M Apde Bpd /V
94% elio
6% isobutano
Andamento teorico del guadagno in funzione
Misura
del guadagno
in funzione
della pressione
della gap
di amplificazione
(Giomataris)
per diverse tensioni della griglia (Giomataris)
9
Catena di acquisizione
Bombole premiscelate
93% Ar – 7%CO2
80% Ar – 20%CO2
10
Sorgente radioattiva
Il fotone reagisce con l’argon nel rivelatore
e possono avvenire due processi:
• 85% dei casi
• 15% dei casi
11
Macro di ROOT
Legge il file
dati
Riempie un
istogramma
Valore di
tensione
relativo al
picco Auger
Inizializza il
fit totale
Esegue fit
singoli
Ricava i
parametri
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Misura della trasparenza (1)
E
ampl
Diminuzione CO Edrift
Aumento
• Si fissa la tensione sulle strip Vs
• Si varia la tensione di drift Vd
2
diffusione elettroni
V
p
T ( )
Vp max
Aumento
ricombinazione
coppie
Vdrift
1
Trasparenza T in funzione del rapporto tra i campi elettrici ξ per le due miscele
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Misura della trasparenza (2)
1
Vdrift
Aumento diffusione elettroni
Miscela
80:20
Trasparenza T in funzione del rapporto tra i campi elettrici ξ
per la miscela 80:20, impostando diverse tensioni sulle strip
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Misura del guadagno (1)
n
M
n0
Calibrazione: determinazione del legame
tra numero di elettroni prodotti e segnale
letto all’oscilloscopio
V
n
e G k
E
E
n0 x
y
WAr
WCO2
V = tensione letta
k = parametro di calibrazione
G = guadagno impostato
su amplificatore ORTEC
e = carica elemetare ex e y = percentuali dei gas
E = energia persa dagli e- nel
rivelatore (circa 5.4 keV)
W = energia media per creare
una coppia nel gas
Guadagno M in funzione della tensione sulle strip Vs per le due miscele
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Misura del guadagno (2)
Si è stimata
di Vstensione sulle
• Si fissalala variazione
tensione sulle strip
Si varia la pressione
P tra 800 e 1000 mbar di una
strip da• effettuare
in corrispondenza
con una pompa e una scatola a tenuta
variazione di pressione atmosferica
affinché il guadagno resti costante:
ΔPatm 980-1010 mbar ΔVs 535-545 V.
Circa 10 volt per un’escursione di 30 mbar.
Guadagno M in funzione della pressione P per le due miscele
L’andamento del guadagno è in accordo con le misure compiute su una diversa miscela
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Conclusioni
• Studio della trasparenza e del guadagno per un
rivelatore Micromegas con miscela di Ar e CO2 in
percentuali 93:7 e 80:20.
• La trasparenza è massima quando il rapporto tra i
campi elettrici ξ è circa 50 per la miscela 80:20 e
70 per la miscela 93:7, ma diminuisce di alcuni
punti percentuali all’aumentare di ξ.
• Il guadagno aumenta esponenzialmente con la
tensione sulle strip e la miscela 80:20, a parità di
guadagno, necessita di tensioni maggiori. Inoltre
il guadagno aumenta al diminuire della pressione.
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Grazie dell’attenzione
18
New Small Wheel
Small Wheel
Tracciamento:
• MDT e CSC
Trigger:
• TGC
New Small Wheel
Tracciamento:
• Micromegas
Trigger:
• sTGC
• Capacità di lavorare ad alti tassi (oltre 5 kHz/cm2)
• Elevata risoluzione spaziale (inferiore a 100 µm)
• Alta efficienza (oltre il 98%)
• Resistenza a radiazioni ed invecchiamento
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Strip resistive
• Limitano i problemi legati alle scariche elettriche tra elettrodi
• Poste a tensione positiva
Pillar
20
Misura del guadagno (4)
Tensione di picco Vp in funzione del campo di drift per le due miscele
21
Diffusione trasversa
Coeff. di diffusione trasversa in funzione del campo di drift per diverse miscele
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Coefficiente di Townsend
a bVs
a bVs
M exp e
ad
d
M th e
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Micromegas
Micro-Mesh Gaseous Structure
I. Giomataris – G. Charpak
Camere
proporzionali a
multifili (1968)
• Bassa
risoluzione
spaziale
Camere a gas a
microstrisce
(1988)
• Guadagno
limitato a 104
Micromegas
(primi anni 1990)
• Guadagno
elevato
• Alta risoluzione
spaziale
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Misura del guadagno (1)
n
M
n0
Calibrazione: determinazione del legame
tra numero di elettroni prodotti e segnale
letto all’oscilloscopio
V kQ a
k k preampl kORTEC
E
E
V
n0 x
y
n
WAr
WCO
e G k
2
V = tensione letta
Q = carica depositata
k = parametro
a = termine noto
G = guadagno impostato
su amplificatore ORTEC
e = carica elettrone
x e y = percentuali dei gas
E = 5.4 keV energia rivelabile
W = energia per creare una
coppia nel gas
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