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*BAB+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
13
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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