Lezione 14 Camere a deriva - Dipartimento di Fisica e Geologia

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Lezione 14
Camere a deriva
Possono essere considerate come derivate delle camere proporzionali.
In questo caso ricavo la coordinata misurando un tempo.
DELAY
Stop
TDC
Start
scintillator
x
drift
low field region
drift
anode
Measure arrival time of
electrons at sense wire
relative to a time t0.
high field region
gas amplification
x   vD (t )dt
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in
presenza di elementi elettronegativi.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Diffusione
 x  2 KT
In presenza di campo elettrico:
 limite intrinseco delle camere a
x
eV0
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.
Rivelatori di Particelle
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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.
(N. Filatova et al., NIM 143 (1977) 17)
Resolution determined by
• diffusion,
• path fluctuations,
• electronics
• primary ionization
statistics
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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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.
E(x) non è costante  vD
non è costante.
Un po’ meglio della
configurazione di sopra
E costante s=so+bt
(U. Becker, in: Instrumentation in High Energy Physics, World Scientific)
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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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)
Rivelatori di Particelle
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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 .
Rivelatori di Particelle
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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).
Rivelatori di Particelle
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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
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
JVD di UA2
Rivelatori di Particelle
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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
(501) 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
51.80.3 mm/ns
Rivelatori di Particelle
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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 NiCr ed hanno una resistenza di  2700 W. Sono tirati con una tensione di 501 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
(51.80.3) mm/ns, costante su tutta la regione di drift.
Rivelatori di Particelle
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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%
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Camere a jet.
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
TPC
Traiettoria della particella
Pad catodiche
Fili
anodici
B
gas
Elettrodo centrale (≈ -50kV)
Piano di lettura
 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.
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Space charge problem from positive ions,
drifting back to medial membrane  gating
Rivelatori di Particelle
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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
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.
ALEPH TPC DVg = 150 V
(ALEPH coll., NIM A 294 (1990) 121,
W. Atwood et. Al, NIM A 306 (1991) 446)
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
TPC
Rivelatori di Particelle
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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
Rivelatori di Particelle
30
Lezione 14
Micro Apparati a Gas
Più velocità e maggiore precisione?  strutture più piccole
 Microstrip gas chambers
(A. Oed, NIM A 263 (1988) 352)
drift electrode (ca. -3.5 kV)
geometry and typical dimensions
(former CMS standard)
10 mm
C (-700V)
100 mm
A
substrate
300 mm
80 mm
Gold strips
+ Cr underlayer
3 mm
gas volume
backplane
Glass DESAG AF45 + S8900
semiconducting glass coating,
r=1016 W/
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
Field geometry
A
ions
C
Fast ion evacuation  high rate capability
 106 /(mm2s)
Gas: Ar-DME, Ne-DME (1:2), Lorentz angle 14º at 4T.
CMS
Passivation: non-conductive protection of cathode edges
Resolution:  30..40 mm
Aging: Seems to be under control.
10 years LHC operation  100 mC/cm
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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
2-6 mm
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Camere a deriva
Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber (lez. 13 slide 31) miniaturizzata.
Quasi una micro-TPC.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
 GEM (gas electron multiplier)
(R. Bouclier et al., NIM A 396 (1997) 50)
   mm
   mm
 mm Kapton
+ 2 x 5-18 mm Copper
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
Single GEM
+ readout pads
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Micro Apparati a Gas
Double GEM
+ readout pads
 Same gain
at lower voltage
 Less discharges
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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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 …
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Simulazione delle camere
Alcuni esempi:
Rivelatori di Particelle
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Lezione 14
Simulazione delle camere
Rivelatori di Particelle
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