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 1 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 2 Lezione 14 Camere a deriva Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in presenza di elementi elettronegativi. Rivelatori di Particelle 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 Lezione 14 Camere a deriva JVD di UA2 Rivelatori di Particelle 13 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 Rivelatori di Particelle 14 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 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. Rivelatori di Particelle 15 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 16 Lezione 14 Camere a deriva Camere a jet. Rivelatori di Particelle 17 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 18 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 19 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 20 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 21 Lezione 14 TPC Space charge problem from positive ions, drifting back to medial membrane gating Rivelatori di Particelle 22 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 23 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 24 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 25 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 26 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 27 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 28 Lezione 14 TPC Rivelatori di Particelle 29 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 31 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Field geometry A ions C Fast ion evacuation high rate capability 106 /(mm2s) 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 32 Lezione 14 Micro Apparati a Gas 2-6 mm Rivelatori di Particelle 33 Lezione 14 Camere a deriva Rivelatori di Particelle 34 Lezione 14 Camere a deriva Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti. Rivelatori di Particelle 35 Lezione 14 Camere a deriva Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber (lez. 13 slide 31) miniaturizzata. Quasi una micro-TPC. Rivelatori di Particelle 36 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 37 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 38 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Single GEM + readout pads Rivelatori di Particelle 39 Lezione 14 Micro Apparati a Gas Double GEM + readout pads Same gain at lower voltage Less discharges Rivelatori di Particelle 40 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 41 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 42 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 43 Lezione 14 Simulazione delle camere Alcuni esempi: Rivelatori di Particelle 44 Lezione 14 Simulazione delle camere Rivelatori di Particelle 45
