Lezione12

Ettore Focardi
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  Camere a valanga multiple (PPAC)
Conversione
Griglie
{
Amplif. 1
E basso G=1
E alto G=10
Trasferimento
Amplif. 2
3
E basso G=1
E alto G=10
G(totale)~10
6
3
Moltiplicazione via effetto Penning (A*BAB+e- e campo non troppo alto).
Possibili applicazioni: raccolta del singolo foto-elettrone.
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 Thin gap chambers (TGC)
Gas:
CO2/n-pentane
(≈ 50/50)
Funziona in regime saturato. L’ampiezza del segnale è limitata dalla resistività della
grafite. (vedi il segnale indotto) (≈ 40KΩ/□). Notiamo che la resistenza di un quadrato di
grafite non dipende dall’area del quadrato.
Molto veloce (tempo di salita ~ 2ns); segnali ampi (G~106)
Application: OPAL pole tip hadron calorimeter.
G. Mikenberg, NIM A 265 (1988) 223
ATLAS muon endcap trigger, Y.Arai et al. NIM A 367 (1995) 398
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  Resistive plate chambers (RPC)
Senza fili !
Gas: C2F4H2, (C2F5H) + few % isobutane
(ATLAS, A. Di Ciaccio, NIM A 384 (1996) 222)
Dispersione temporale ≈ 1..22 ns → adatta per trigger
Rate capability ≈ 1 kHz / cm
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  Resistive plate chambers (RPC) a molte gap.
Double and multigap
geometries → improve
timing and efficiency
Problem: Operation close to streamer mode.
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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
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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/µs.
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Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in
presenza di elementi elettronegativi.
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Diffusione
In presenza di campo elettrico:
 limite intrinseco delle camere a
deriva.
Il coefficiente di diffusione diminuisce aumentando il campo elettrico (con campi
tipici di 1KV/cm  la risoluzione è ~100µm 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/ω  la
diffusione diminuisce.
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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
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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.
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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)
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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/µs )  t1+t2= 1 µs.
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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)
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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 .
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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).
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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
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JVD di UA2
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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
numero di settori
123.8 mm
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numero di sense/settore
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spaziatura dei sense
6.44 mm
sense staggering
0.20 mm
materiale sense
25 µm di Ni-Cr
materiale fili guard-field 100 µm 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
o
spessore totale JVD (a 90 )
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 µm/ns
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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 µm 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 µm, sono di una lega di NiCr ed hanno una resistenza di ≅ 2700 Ω. 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) µm/ns, costante su tutta la regione di drift.
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JVD di UA2
  Due tracce possono essere distinte col 90% di efficienza se distanti ≥ di 2 mm (40
ns)
  La risoluzione media rφ era di ≈ 150 µm 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 σ/
<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%
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Camere a jet.
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Traiettoria della particella
Pad catodiche
Fili anodici
B
gas
Elettrodo centrale (≈ -50kV)
Piano di lettura
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La TPC permette di determinare un punto nello spazio ( x,y,z ovvero r,φ,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 µm
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 σrφ=173µm, σz=740 µm
per leptoni isolati.
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Space charge problem from positive ions,
drifting back to medial membrane → gating
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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
ALEPH TPC
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.
ΔVg = 150 V
(ALEPH coll., NIM A 294 (1990) 121,
W. Atwood et. Al, NIM A 306 (1991) 446)
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(A. Oed, NIM A 263 (1988) 352)
geometry and typical dimensions (former CMS
standard)
Gold strips
+ Cr underlayer
Glass DESAG AF45 + S890016
semiconducting
glass coating, ρ=10 Ω/
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Field geometry
ions
C
A
Fast ion evacuation
6 → high
2 rate capability
≈ 10 /(mm ⋅s)
Gas: Ar-DME, Ne-DME (1:2), Lorentz angle 14º at 4T.
CMS
Passivation: non-conductive protection of cathode edges
Resolution: ≈ 30..40 µm
Aging: Seems to be under control.
10 years LHC operation ≈ 100 mC/cm
4
Gain ≤10 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.
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2-6 mm
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Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti.
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Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber (lez. 13 slide 31) miniaturizzata. Quasi una micro-TPC.
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(R. Bouclier et al., NIM A 396 (1997) 50)
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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.
3
Guadagno ~ 10 .
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Single GEM
+ readout pads
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Double GEM
+ readout pads
 Same gain
at lower voltage
 Less discharges
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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)]: ΔA/A=RQ/l.
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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 …
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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.
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Alcuni esempi:
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