2 GIORNATA DI STUDIO SALERNO - 21 DICEMBRE

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1 a 2 GIORNATA DI STUDIO SALERNO - 21 DICEMBRE

2 Marilena Loia

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10 Ogni camera è stata costruita assemblando un sandwich di 7 lastre di vetro, dello spessore di qualche mm. Ogni lastra è stata separata dalle altre con un filo di nylon da pesca, messo a zig zag, per impedire l aderenza totale dei vetri e creare le gap, di 300 µm. Queste dimensioni sono necessarie per ridurre il problema di possibili scariche elettriche

11 Il numero di gap è pari a 6 e ciò assicura un alta efficienza di rivelazione. Infatti il posizionamento dei vetri paralleli ed equidistanti tra loro, divide l intervallo tra i due elettrodi in tanti sotto-intervalli indipendenti e di ugual misura tra loro

12 In tali spazi vuoti, infatti, scorrerà gas che consentirà i processi di ionizzazione, in seguito al passaggio dei muoni cosmici. La miscela di gas è costituita dal 98% da Freon ecologico (C2H2F4) e dal 2% da Esafloruro di Zolfo (SF6). Il flusso di gas in ogni camera dovrà essere di circa 3,5 L/h. Tale valore assicura un ricambio completo del gas almeno 2 volte/die

13 Le 2 lastre terminali esterne, più grandi delle altre e rivestite da mylar, uno strato resistivo, sono quelle in cui sarà possibile applicare una tensione di lavoro di circa volt. Queste lastre sono state incapsulate tra 2 pannelli di vetronite, che servono ad isolare ogni piano di alta tensione dal successivo.

14 Sui ripiani di vetronite sono state applicate 24 strisce di rame adesivo, ognuna di 25mm, rappresentanti gli elettrodi di lettura. A queste strip, presenti sui due piani della camera, abbiamo saldato un cavo twisted pair che comunicherà con due circuiti stampati (FEA CARD), montati all estremità di ogni camera, trasmettendo loro i segnali differenziali

15 Due pannelli di materiale a nido d ape (Honeycomb), sono stati messi a supporto superiore ed inferiore del sandwich realizzato, ed il tutto è stato inscatolato in pannelli di alluminio di 2mx1m

16 Per il funzionamento del telescopio sono poi necessarie altre strumentazioni, come un antenna e un sistema GPS, un computer, un alimentatore, il crate, la camera dei gas, ecc.

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24 La visita è proseguita nell area dell esperimento ALICE, destinato alla ricerca del Quark Gluon Plasma, lo stato della materia nella fase iniziale di evoluzione dell universo, e ha suscitato in tutti grande interesse e tante domande.

25 N.B. Il Teraelettronvolt (TeV) è un'unità di misura dell'energia usata principalmente nella fisica delle particelle. Il TeV è un multiplo dell'elettronvolt ed equivale a miliardi di ev

26 Time Of Flight (TOF)

27 proton lead collisions

28 An event display from the completed ALICE detector. The event shows a high-energy cosmic muon developing a particle shower

29 A "splash" event (triggered by the T0 detector) as seen from the ALICE muon chambers.

30 Scenes from the control room for the ALICE detector on 3 June 2015 when the LHC first started providing data at 13 TeV to experiments

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32 Si è arrivati alle attuali MRPC, usate nel Progetto EEE, attraverso anni di studi e ricerche, tenendo sempre presenti i requisiti principali che un rivelatore di particelle deve possedere: 1. buona risoluzione spaziale (qualche centimetro) 2. una buona risoluzione temporale (decine o centinaia di picosecondi) 3. un buon funzionamento per anni 4. essere a basso costo

33 Questi requisiti sono stati ricercati sia nella Camera a Ionizzazione a Piani Paralleli, utilizzata per misure di tempi di volo già dagli inizi degli anni 50, e sia nella Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC), la cui prima progettazione risale al 1996 ed è proseguita fino al 2008, con la realizzazione di un modello di MRPC ideato e costruito per il sistema di misura dei tempi di volo (Time Of Flight, TOF) dell esperimento ALICE al CERN.

34 Il primo prototipo di MRPC fu realizzato nel 1996 all interno del progetto Lepton Asymmetry Analyser, LAA del CERN.

35 Multigap Resistive Plate Chambers Prototipo camera MRPC

36 Fotografia del set-up sperimentale usato per studiare le prestazioni del primo prototipo di camera MRPC tramite muoni cosmici, nella quale sono visibili i contatori a scintillazione (scintillator 1, scintillator 2) che segnalano il passaggio dei muoni attraverso la camera.

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38 Separazione delle masse in funzione del momento trasverso ottenuta mediante il TOF in eventi Pb-Pb, secondo una simulazione Monte Carlo

39 La precisione spaziale del segnale è stata ottenuta lavorando con rivelatori gassosi a ionizzazione che assicurano un altissima risoluzione spaziale e sono più economici di scintillatori e fotomoltiplicatori

40 Cc COME FUNZIONA UN RIVELATORE A IONIZZAZIONE IN MEZZO GASSOSO

41 La necessità di una risoluzione temporale dell ordine dei picosecondi (ps=millesimo di miliardesimo di secondo, cioè un millesimo di nanosecondo) ha portato allo sviluppo di rivelatori a piani paralleli. Infatti, in questo tipo di rivelatori la formazione di un intenso campo elettrico uniforme fra i due elettrodi molto ravvicinati, permette l istantanea formazione di una valanga, qualunque sia il punto del rivelatore in cui è passata la particella ionizzante

42 Cos è una valanga?

43 Il funzionamento di questi dispositivi a elettrodi piani si basa infatti sul fenomeno della ionizzazione del gas da parte della particella carica che deve essere rivelata. Essa attraversando il rivelatore colpisce un certo numero di atomi o molecole del gas e li scinde in ioni positivi e elettroni. A questa ionizzazione detta primaria seguono successive ionizzazioni, dette secondarie.

44 Queste ultime sono provocate per lo più dagli elettroni che collidono contro altri atomi o molecole sotto l influenza del forte campo elettrico, omogeneo e uniforme, presente nel rivelatore che costituisce a tutti gli effetti un condensatore piano.

45 Queste ionizzazioni secondarie producono un effetto a valanga, cioè si moltiplicano, creando un flusso di elettroni e di ioni positivi da una piastra all altra del condensatore.

46 Gli elettroni rispetto agli ioni positivi possiedono una velocità di deriva più alta perciò si trovano in testa alla valanga e formano il cosiddetto segnale veloce. Gli ioni positivi, se raggiungono una certa energia cinetica, possono anche loro dar luogo a ionizzazione secondaria, aumentando la generazione di coppie di ioni.

47 Poiché il primo segnale che arriva è quello degli elettroni, questo è il segnale che viene misurato. La figura in basso mostra la tipica forma del segnale a goccia dovuta alla diversa mobilità di elettroni e ioni positivi: infatti dato che gli elettroni hanno una mobilità maggiore, essi popolano la testa del segnale, con gli ioni in coda.

48 Il segnale viene letto da strips di rame, sia anodiche sia catodiche e trasmesso alle estremità del rivelatore, dove si trovano particolari schede di lettura del segnale, le Front End o FEA cards dotate di un chip a 24 canali e presenti sul lato corto delle camere. Alle estremità opposte dei lati lunghi delle camere MRCP sono, invece, presenti gli innesti per il gas (input e output) e i connettori dell alta tensione (HV+ e HV-)

49 Ogni scheda ha il compito di discriminare il segnale, di dirci, per ogni camera, se in almeno una strip c è stato un segnale (OR strip) e di trasformare il segnale analogico prelevato dalle strip in segnale LVDS (Low Voltage Differential Signaling) da inviare alla catena di acquisizione. Schema del circuito della scheda di lettura dei segnali delle strip: i 24 ingressi sono discriminati da una soglia regolabile prima di essere inviati all OR e alla catena di acquisizione.

50 Le schede di Front End per funzionare hanno bisogno di essere alimentate con una bassa tensione continua di 2.5V Oltre all'alimentazione dei chip delle schede di Front End, è necessario alimentare le box con i DC/DC converter, che trasformano la bassa tensione fornita dall'alimentatore in alta tensione che viene applicata alle camere

51 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DI ALTA TENSIONE È costituito da 3 canali LV usati per i convertitori di tensione + 1 canale per alimentare le FEA Card; 3 scatoline HV rosse (contenenti convertitori di tensione DC/DC positivi) 3 scatoline HV blu (contenenti convertitori di tensione DC/DC negativi) cavi elettrici e connettori (tipo banana)

52 Gli ALIMENTATORI DI BASSA TENSIONE forniscono tensioni continue in uscita comprese tra 0 e 5 V

53 Le scatoline contenenti CONVERTITORI DC/DC da bassa ad alta tensione, consentono di amplificare la bassa tensione in ingresso fino a ± 10 kv. Poiché ogni MRPC è dotata di 2 connettori di alta tensione ai quali vanno connesse le 2 scatoline DC/DC, significa che possiamo alimentare la camera fino a 20 kv.

54 Bisogna notare che i convertitori utilizzati su ogni camera sono 1 positivo ed 1 negativo, infatti uno serve per alimentare l anodo+ (elettrodo a potenziale maggiore) e l altro il catodo - (elettrodo a potenziale minore)

55 La differenza di tensione totale è data dalla differenza delle due tensioni, quindi, nel caso in cui entrambi i convertitori stiano erogando il massimo di alta tensione possibile, si ha: V TOT = V ANODO V CATODO= +10 ( 10) = + 20 kv N.B: I convertitori possono essere alimentati al massimo con tensioni di 5 V. Bisogna monitorare sia la corrente assorbita da ogni convertitore che le tensioni di lavoro poiché l alta tensione generata che alimenta l anodo o il catodo della MRPC è proporzionale alla bassa tensione in ingresso

56 Per la messa in funzione del rivelatore è dunque necessario avere 6 scatoline di convertitori e 6 canali di alimentazione di bassa tensione, ciascuno di 0.5 A. Infine occorre il materiale per connettere i canali di alimentazione ai convertitori (cioè cavo elettrico e connettori tipo banana

57 Il segnale di OR proveniente da ciascuna FEA di ciascuna camera (un totale quindi di 6 segnali di OR) viene mandato tramite opportuni cavi ad una scheda di elettronica alloggiata in un CRATE VME: la scheda di trigger

58 La scheda di trigger ha il compito di verificare che ci siano almeno sei segnali contemporanei provenienti dal telescopio e quindi generare il segnale di trigger che indica che probabilmente è passato un muone.

59 I segnali di OR arrivano alla scheda che ha il compito di fare l AND, cioè di controllare che siano 2 i segnali di OR provenienti dalle estremità di una camera. Poi controlla se tale AND è presente in tutte e tre le camere: in tal caso abbiamo un trigger, cioè un evento buono per il telescopio, perché significa che una particella ha attraversato tutte e tre le camere. Se così è, la scheda di trigger genera un segnale che autorizza la catena di acquisizione ad immagazzinare i dati e trasferirli al computer.

60 Le schede FEA sono connesse, tramite un opportuno cavo schermato (della ditta Amphenol), ad un TDC, un modulo alloggiato nel CRATE VME, che ha il compito di misurare i tempi di arrivo dei segnali. In particolare tale cavo permette di registrare la strip che ha dato segnale e di misurare il tempo di arrivo del segnale rispetto al segnale di trigger. moduli TDC

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62 Per risalire al punto di incidenza del muone col piano sensibile è necessario individuare le sue coordinate sul piano definito dalla singola camera e ciò lo si ottiene misurando il segnale sulle strisce di rame, letto dalla elettronica ai capi della camera

63 La coordinata x è individuata dalla singola striscia, o coppia di strisce adiacenti, su cui il segnale viene indotto; la coordinata y è data dalla differenza dei tempi di arrivo del segnale tra un lato e l altro della medesima strip

64 Il CRATE VME è una parte fondamentale del sistema di acquisizione : in esso sono alloggiate tutte le schede di elettronica che servono per acquisire i dati e trasmetterli al computer

65 Il CRATE VME è un sistema standard di alimentazione di schede di elettronica, che hanno bisogno di tensione per funzionare un sistema di lettura delle schede stesse, comandato dal computer tramite un opportuno mediatore cioè il BRIDGE (figura),connesso attraverso lo standard USB, al computer

66 Nel CRATE VME è anche alloggiato il ricevitore GPS che permette di avere il tempo di arrivo del muone in coordinate temporali UTC (Universal Time Coordinate) e quindi di mettere in relazione gli eventi (muoni) acquisiti da telescopi distanti tra loro

67 Grazie al programma di acquisizione DAQ, il computer impartisce istruzioni (tramite il Bridge) all elettronica ed è possibile trasmettere i dati al computer ed immagazzinarli in file, poi analizzati con opportuni programmi di decodifica.

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70 html-gnesi/cosmic Rays/Tesi Elisa.Bressan F.pdf Messa a punto e caratterizzazione di un telescopio di MRPC a1ad Manfredi P. F. Rivelatori ed Elaborazione del Segnale AA "Vedere i raggi cosmici Progetto LAUREE SCIENTIFICHE" G. Sartorelli, M. Spurio, L. Patrizii