Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
Area Didattica di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali
Dipartimento di Fisica
Laurea triennale in Fisica
Studio della velocità di drift degli elettroni in una
miscela di Ar-CO2 nel rivelatore MICRO-MEsh
GAseous Structure
Relatori:
Candidato:
Prof. Mariagrazia Alviggi
Maria Teresa Camerlingo
Dott. Camilla Di Donato
N85/000331
Anno Accademico 2013/2014
RIVELATORI A GAS MICROMEGAS
Due prototipi di Micromegas costituiscono il sistema di rivelazione dell’apparato
sperimentale del presente lavoro.
• Ionizzazione del gas
Drift Electrode (HV1)
Conversion gap
Gap di drift
e-
Amplification gap
Micromesh (V=0)
E1
Anode Strips (HV2)
E2
• Campo elettrico
• Fenomeno di moltiplicazione
a valanga di Townsend
• RUOLO DEL MICROMESH
Charged
Particle
• Strip resistive
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Dipendenza della velocità di drift dai parametri più
importanti
Dalla trattazione classica:
eE
u
mN
2
Si ottiene:
+
2
E
u
P
1
2
Approssimazione a gas perfetto
P
N
kT
λ e σ sono funzioni dell’energia
dell’elettrone e dipendono
fortemente
dalla
miscela
adoperata
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MISCELA Ar-CO2
Si sfruttano le tipiche proprietà di gas nobile dell’ Ar e le proprietà di quencher
della CO2 (gas poliatomico).
I due gas presentano degli andamenti σ(ε) simili.
minimo di Ramsa
Il diverso comportamento di λ(ε) è responsabile dell’aumento della velocità di drift in
miscele rispetto al caso di Ar puro.
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STIMA DELLA VELOCITA DI DRIFT DEGLI ELETTRONI DI IONIZZAZIONE
Supposta u approssimativamente costante e nota la distanza Δh percorsa dagli elettroni,
occorre solo stimare il loro tempo di percorrenza Δt per ricavare la stima di u.
h
u
t
E’ ragionevole supporre che la distanza Δh percorsa dall’elettrone più distante dalla mesh
sia pari alla profondità della gap di drift.
Δt è l’intervallo di tempo impiegato dagli elettroni più distanti per raggiungere la mesh.
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Selezione eventi e stima del tempo di salita del segnale
indotto sulle strip x della camera
Tagli sulla carica massima indotta
qmax tra 80 e 1600 ADC count
Fit della salita del segnale
t T
f
t
Q
*
1
1
exp
S
T tempo corrispondente a Q/2
Q carica massima campionata
S parametro relativo alla pendenza
della funzione di fit
1
S
Criteri di qualità sul fit
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Stima del tempo Δt (1)
Nell’ipotesi di “illuminazione uniforme” si
attende che la distribuzione del tempo T
di ciascuna strip abbia l’aspetto di una
“box”, la cui ampiezza a metà altezza dà
una stime del tempo Δt.
SORGENTE ADOPERATA:
RAGGI COSMICI posseggono
una distribuzione angolare
non uniforme.
Effetti sulla forma della “box”.
Taglio inferiore sulla molteplicità (3) è apportato quindi per ridurre l’effetto di
sovrapposizione del segnale sulla stessa strip.
Taglio superiore (7) è invece determinato dalla geometria del sistema del
trigger esterno.
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Stima del tempo Δt (2)
Metodo A: Fit sugli istogrammi dei
Metodo B: Fit sugli istogrammi dei
tempi T del cluster
tempi minimi e massimi del cluster
Fit con funzioni f1 e f2 di tipo F-D
Q Q
1
2
Il metodo B è stato implementato per
ridurre la sottostima dei tempi (legame
con forma della box) del metodo A.
Distribuzione angolare dei cosmici e
fluttuazioni statistiche nei processi di
creazione delle coppie e--ione
Fit con funzioni f1 su tmin e con f2 su tmax
SOTTOSTIMA di Δt
La stima di Δt
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Andamento dei tempi minimi del cluster al variare della
molteplicità
Si sono indagate le ipotesi di partenza del metodo B:
Si attende che sia il tempo minimo sia il tempo massimo varino in funzione
della molteplicità del cluster fino a raggiungere dei valori limite.
Simulazioni
Distribuzioni osservate
10°
20°
30°
Angolo di incidenza della traccia 20°
Le distribuzioni osservate confermano le simulazioni convalidando il
metodo B.
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Andamento u(Edrift) (met. A e B)
METODO A
METODO B
Lo scostamento tra le
stime dei due metodi
a velocità basse è
minore poiché gli
elettroni
arrivano
alla
mesh
più
distanziati in tempo,
riducendo l’effetto di
accumulo sulla stessa
strip.
Gli andamenti ottenuti sono simili a quello simulato ma risultano traslati verso campi
elettrici maggiori e velocità più elevate. Inoltre le stime ottenute con il met. B si
avvicinano maggiormente ai valori simulati.
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Discussione risultati (metodo B) (1)
Le simulazioni sono effettuate a TPS mentre durante l’intera presa dati si sono
osservate una variazione termica di 5.5 K e una barica di 2900 Pa, quindi si è
ricavato l’andamento a TPS delle stime ottenute tramite la legge di scala.
TPS
METODO B
N
u N , E u N ;
E
N
TPS
TPS
Le sole variazioni di T e P non giustificano lo scostamento tra gli andamenti osservati
e quello simulato.
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Discussione risultati (metodo B) (2)
u(cm/μs)
Lo scostamento
tra le stime
sperimentali e
quelle simulate
del caso Ar-CO2
con 2% di aria è
minore
del
caso senza aria.
Edrift(V/cm)
Punto di
massimo
compreso
nello stesso
intervallo
(600-800
V/cm).
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Discussione risultati (metodo B) (3)
Lo spostamento della velocità massima a valori maggiori del modulo del campo
elettrico potrebbe anche indicare la presenza di una maggiore percentuale di
CO2 .
u(cm/μs)
Si è quindi confrontato
l’andamento con
ulteriori simulazioni, a
percentuali di CO2
vicine a quella
nominale, trovando
che l’andamento
sperimentale (in cui si
tiene conto solo del
contributo dei tempi
alle incertezze di u)
risulta compatibile con
la curva simulata per la
miscela 90:10.
Edrift(V/cm)
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CONCLUSIONI
• Le stime di u ottenute con entrambi i metodi mostrano un andamento
della velocità di drift in funzione del campo simile a quello riportato in
letteratura. I valori ottenuti si discostano da quelli simulati per circa il
10-15% per il metodo B, maggiormente per il metodo A. La minore
“affidabilità” del metodo A è dovuta alla forma irregolare delle “box”,
ottenute adoperando come sorgente i raggi cosmici.
• La differenza osservata tra misure e simulazioni è imputabile a:
• incertezza della miscela, sia riguardo alla percentuale di CO2 che
all’eventuale presenza di aria;
• incompletezza delle simulazioni, infatti riproducono le
dipendenze di u dal modulo del campo elettrico e dalla miscela
senza tenere però conto delle alterazioni introdotte dalla
presenza del mesh.
• Possibili prospettive future:
• misura più accurata delle percentuali di gas.
• sistema di tracciamento esterno che permetta di ricostruire la
traiettoria dei raggi cosmici.
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