rivelatore - Confindustria Piemonte

A. Di Mauro (CERN)
Italia al CERN, 10/10/14
Alcune defnizioni
• RIVELATORE
E’ un dispositivo che conta, traccia o identifica le particelle prodotte dai
decadimenti radioattivi, dalle radiazioni cosmiche o dalle collisioni
generate in acceleratori di particelle, attraverso vari tipi di interazione
con il “mezzo” (gas, liquido, solido) di rivelazione.
• PARTICELLE
•
•
•
•
Stabili: protoni (p), neutroni (n), elettroni (e), fotoni (g)
Instabili (t > 10-10 s, traccia > 0.5 mm): kaoni (K), pioni (p), muoni (m)
Altre centinaia di particelle instabili decadono immediatemente (traccia < 0.5
mm) e sono rivelabili attraverso le particelle secondarie
Adroni: combinazioni di 2 o 3 quarks/anti-quarks (p, K, p, n)
• INTERAZIONI
•
•
•
Elettromagnetica: e±, m± , g
Nucleare forte: K0, n
E.m. + forte: p±, p±, K±
• IDENTIFICAZIONE
Ogni particelle e’ caratterizzata da una massa e una carica; le
differenze di massa, carica e interazione sono fondamentali per la
identificazione delle particelle
Uno schema di rivelatore “multi-purpose”
g di alta energia → coppie e+/ee± ionizzano o emettono g
m non interagiscono
adroni carichi ionizzano e producono
“cascate adroniche” in mezzi di alta r
adroni neutri non ionizzano e producono
“cascate adroniche” in mezzi di alta r
B, bassa r
alta r
alta r tracciamento
Campo magnetico B → curvatura R delle tracce (carica +/-), impulso p ~ R∙B
Cinematica relativistica: p=mbg , E= mg → misura della massa → identificazione
Un esempio concreto: CMS
Sommario delle tecnologie
• Rivelatori a semiconduttore (pixels di silicio) vicino al
punto di collisione con altissima risoluzione spaziale (~ 10
mm) per individuare i vertici primari e secondari
• Rivelatori a semiconduttore (strips di silicio) o a gas a
distanze maggiori per tracciamento in campo
magnetico (misura di p)
• Calorimetri elettromagnetici o adronici (strati alternati di
materiale “assorbitore” ad alta densita’ e materiale
“attivo” – per es. scintillatore) per la misura dell’energia
E delle particelle
Elementi principali di un sistema di
rivelazione
• Il detector (materiali, meccanica di precisione,
assemblaggio)
• Elettronica di lettura, interfaccia con sistema di
acquisizione
• Servizi: sistemi gas, raffreddamento, alimentazioni LV e
HV
• Software: sistema di controllo dei servizi, analisi dati,
simulazione
• Sistemi centrali (esperimenti): trigger (selezione eventi e
sincronizzazione di tutti i sotto detectors), acquisizione
dati (DAQ) e registrazione, controllo dei rivelatori (DCS),
event display, data quality monitoring (online), analisi
eventi (offline)
La sfida LHC
• Campi magnetici elevati per spettroscopia dell’ impulso p
•
Magneti superconduttori, criogenia
•
Strutture massiccie (~ 104 T)
• Apparati di grandi dimensioni per spettroscopia di p e calorimetria
•
Ingegnerizzazione e integrazione di dispositivi grandi, fragili, pesanti,….
•
Modularita’, riduzione spazi “morti”
• Frequenze di collisione (~800 MHz) e flussi di particelle elevatissimi
•
Materiali dei rivelatori e elettronica “radiation hard”
•
Rivelatori e elettronica di lettura rapidi
• Elevata risoluzione spaziale
•
Elevata granularita’
•
Numero di canali di elettronica (100 M) e quantita’ di dati da immagazzinare
elevati (~ 1-10 GB/s)
• Capacita’ di selezione degli eventi
•
Filtraggio intelligente in tempo reale (combinazioni di rivelatori e software)
ALICE
ATLAS
CMS
LHCb
Rivelatori a semiconduttore
Giunzione p-n polarizzata inversamente (diodo)
Regione
completamente
svuotata da cariche
libere (rumore termico),
zona attiva per la
rivelazione
ca. 50-150 mm
SiO2
passivazione
300mm
Una particella
ionizzante produce
cariche elettriche che
per effetto del campo
elettrico migrano agli
elettrodi producendo
un segnale
N (e-h) ~ 11000 /100 mm
Risoluzione spaziale ~ 10 mm
Architettura ibrida
Sensore (silicio) e chip di lettura separati
“wire bonding”
CMS Si strip
“bump bonding” di ciascun pixel
Il silicon tracker di CMS
•
•
•
5.6x 2.4 m
200 m2 di silicio
71 M di canali
Pile-up di vertici primari
di collisioni p-p,
separazione ~ 100 mm
Il silicon tracker di ATLAS
pixels
•
•
60 m2 di silicio
80 M di canali
strips
Sensori CMOS
CMOS (Pixel) Detector
•
Sensore e elettronica di lettura integrati
nello stesso chip
•
Stessa tecnologia delle fotocamere digitali
•
Ridotti costi di produzione
•
Maggiore granularita’ (pixel piu’ piccoli)
•
Spessore ridotto (material budget)
•
Soluzione adottata per l’upgrade dell’Inner
Tracking System di ALICE
L’upgrade dell’ITS di ALICE
10 m2, 25 Gpixels di 20x20 mm, 7 layers, copertura radiale da 21 a 400 mm
L’upgrade dell’ITS di ALICE
-
Design ottimizzato per ridurre material
budget (X0=0.3%) e incrementare la
risoluzione spaziale
-
Struttura di supporto in fibra di carbonio,
peso 1.5 gr
-
50 mm pixel chips connessi a PCB flessibile
a doppio layer in Al e kapton spesso 150
mm, peso di un modulo: 2 gr
-
Interconnessione con saldatura laser IR in
vuoto di biglie di SnAg di 200 mm
Inner barrel stave
Rivelatori a gas
Single wire counter
•
•
In prossimita’ del filo E molto elevato
Diametro ~ 20 mm
Moltiplicazione a valanga
G. Charpak, premio Nobel 1992
a : coeff. di Townsend,
dipende dal gas
G ~ 105
Camera proporzionale
multifilo (MWPC), 2D
position sensitivity
Time Projection Chamber
• Volume di gas con E e B paralleli
• E ~ 100-400 V/cm, d fino a 2.5 m, t deriva ~
10-100 ms
• Ricostruzione 3D delle tracce usando t
deriva (fondamentale: controllo
temperatura, velocita’ di deriva, purita’ gas)
La TPC di ALICE
La TPC di ALICE
La TPC di ALICE
First Pb-Pb collision in Nov 2011
L’upgrade della TPC
Sostituzione MWPC con GEM quadruple
25
Rivelatori a gas “micropattern”
• Micro-pattern gas detectors sono stati introdotti negli anni 90 per ottenere
migliore risoluzione spaziale, capcita’ di alti rates di particelle e semplicita’
di costruzione rispetto alle tradizionali MWPC
• La GEM (Gaseous Electron Multiplier) e’ un foglio di kapton (50 mm) rivestito
da Cu (5 mm) su entrambe le facce, con fori di 70 mm e passo di 140 mm
• I due elettrodi di Cu sono collegati ad una DV ~ 4-500 V, all’interno dei fori
si ha moltiplicazione a valanga
F. Sauli
Rivelatori a gas “micropattern”
• Altre versioni: THGEM, mMEGAS, InGrid, mStrip, mDot,…
THGEM
InGrid
• Grandi superfici sensibili a costi contenuti
• Resistenti meccanicamente e alla radiazione
• Notevole risoluzione spaziale e temporale
• Tecniche di produzione sviluppate al CERN, in continua
evoluzione, nuovi materiali e procedimenti, tecniche litografiche ~
standard
Rivelatori a gas “micropattern”
R&D in corso per l’upgrade dei rivelatori per LHC, HL-LHC
•
TPC di ALICE -> GEM o GEM+μMegas
•
Muon system di CMS -> GEM
•
Muon system di ATLAS -> μMegas
CMS GEM
ATLAS μMegas
Rivelatori a gas “micropattern”
Altre applicazioni:
•
Adatti anche a misurare neutroni e raggi X
•
Possibili applicazioni fuori dalla ricerca di base:
•
Homeland security (Rn detector, flame/smoke detector, ...)
•
Dosimetria e dosimetria ambientale
•
X-ray imaging
•
Neutron scattering (biologia e materiali)
Note conclusive
• Parte del materiale proviene da talks di D. Bertolotto, F. Resnati
e W. Riegler
• Questa presentazione ha mostrato una parte molto ridotta
degli innumerevoli sistemi di rivelazione esistenti
• Ricerca pura → progresso e innovazione tecnologica ….
1911
Camera a nebbia di Wilson
2012
ATLAS
Future Circular Collider
~ 100 km, 100 TeV
20XX ?