ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÁ DI BOLOGNA MISURE DI RESISTIVITÀ NELLE MRPC DEL RIVELATORE DI TEMPO DI VOLO DELL ESPERIMENTO ALICE

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÁ DI BOLOGNA Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Triennale in Fisica MISURE DI RESISTIVITÀ NELLE MRPC DEL RIVELATORE DI TEMPO DI VOLO DELL ESPERIMENTO ALICE Relatore: Prof. Maurizio BASILE Candidato: Alessandro SILENZI II sessione di Laurea Anno Accademico

2 i Sommario 1. Introduzione L esperimento ALICE Una sfida tecnologica L apparato di rivelazione dell esperimento ALICE L identificazione delle particelle nell esperimento ALICE Il TOF Specifiche richieste al TOF Lo sviluppo del TOF La scelta di un rivelatore a gas La scelta delle MRPC Il contatore Pestov La PPC La MRPC Lo sviluppo delle MRPC Descrizione delle strips di MRPC Misure di resistività Caratteristiche minime degli elettrodi Strumenti di misura di resistività Il picoamperometro con interfaccia Schema elettrico del set-up sperimentale Software di acquisizione Ripetibilità e incertezze Operazioni standard di misura 19

3 ii 4. Caratteristiche resistive degli elettrodi Composizione chimica della vernice resistiva Uniformità e valor medio della resistività Assestamento delle caratteristiche della vernice Assestamento tramite trattamento termico Conclusioni 25 Bibliografia 26

4 1 1. Introduzione Lo scopo di questa relazione è quello di sviluppare un metodo rapido per la misura della resistività superficiale degli elettrodi nelle MRPC del rivelatore di tempo di volo (TOF) dell esperimento ALICE, e verificare alcune caratteristiche di questi riscontrate con sistemi di misura precedenti. Una prima parte descrittiva porterà l attenzione dal generale al particolare per coinvolgere argomenti via via più specifici dell attività in laboratorio. 1.1 L esperimento ALICE ALICE è un esperimento attualmente in fase di costruzione presso i laboratori del CERN di Ginevra che si propone di investigare il deconfinamento e il ripristino della simmetria fra quark studiando eventi prodotti dalla collisione fra ioni pesanti, in particolare Pb-Pb con energia nel sistema del centro di massa di circa 5.5 TeV per coppia di nucleoni. Una collisione di questa energia realizza le condizioni di temperatura e densità elevatissime tipiche degli attimi successivi al big bang permettendo la formazione di uno stato della materia nucleare: il Quark-Gluon Plasma (QGP). Stando ai modelli ipotizzati sulla base del modello standard, questo nuovo stato della materia nucleare, è esistito nei primi 10 milionesimi di secondo del big bang ed è presente nelle stelle di neutroni super dense e consiste nella presenza di quark e gluoni liberi Una sfida tecnologica É possibile sapere se si è verificato un evento di creazione di QGP dalla misura delle particelle prodotte e dei rapporti fra le popolazioni delle varie famiglie di particelle. Nell esperimento, l ostacolo maggiore è rappresentato dal numero di particelle che saranno prodotte: 8000 particelle cariche per unità di rapidità.

5 2 La grande densità di tracce e la piccola granularità dello spazio delle fasi richiesta rappresenta la più grande sfida tecnologica nella progettazione di ALICE. Il rivelatore efficace deve avere la capacità di identificare il tipo di particella (massa e carica elettrica) e misurarne l impulso, in modo tale da ottenere informazioni sul QGP e la termodinamica QCD (Quantum Chromo-Dynamics) per ogni evento in ALICE. 1.2 L apparato di rivelazione dell esperimento ALICE L apparato di rivelazione, denominato anch esso ALICE, è composto di diverse parti. La parte centrale si sviluppa attorno al punto dove avviene la collisione fra i due nuclei di piombo e possiamo elencare i vari componenti partendo dal centro verso l esterno: ITS (Inner Tracking System) un sistema di rivelatori a semiconduttore in grado di rivelare le tracce con risoluzioni spaziali dell ordine del micrometro; TPC (Time Projection Chamber) scelta obbligata dalla necessità di avere un grande numero di punti per ogni traccia, in modo da poter separare il grande numero di tracce, ottenere informazioni sulla lunghezza della traiettoria, sulla curvatura di quest ultima ecc. I due rivelatori si trovano all interno del magnete L3 con un debole campo magnetico di 0,2 0,5 T. All esterno di questo troviamo il TRD (Transition Radiation Detector), il TOF (Time Of Flight), del quale parlerò in seguito e due rivelatori di area ridotta: il PHOS (PHOton Spectrometer) un calorimetro elettromagnetico e il HMPID (High Momentum Particle IDentification) composto da contatori RICH (Ring-Imaging CHerenkov). In aggiunta alla parte centrale di ALICE ci sono il Forward muon spectrometer, i calorimetri PMD e ZDC e rivelatori a piccolissimo angolo polare (Vo,To).

6 3 1.3 L identificazione delle particelle nell esperimento ALICE L identificazione delle particella permette di studiare separatamente le caratteristiche di pioni, kaoni, protoni, ed elettroni o muoni. Tre rivelatori di ALICE sono progettati esclusivamente per l identificazione delle particelle (PID) : il TRD, il TOF e l HMPID. Il primo è riservato all identificazione degli elettroni, il secondo è in grado di riconoscere particelle con impulso compreso tra 0,5 GeV/c e 2,5 GeV/c, il terzo a particelle di impulso superiore ai 2,5 GeV/c. L identificazione di particelle di impulso inferiore a 0,5 GeV/c è prerogativa dei rivelatori interni (ITS e TPC). 1.4 Il TOF Specifiche richieste al TOF Il TOF è posto a 3,7m di distanza dal punto di collisione, deve coprire un angolo solido di 2 2π sterad (angolo polare =[45,-45 ] e angolo azimutale=[0,360 ]) e un area attiva complessiva di ~150 m 2. Il TOF è preposto all identificazione delle particelle di impulsi compresi fra 0,5 GeV e 2,5 GeV. Dando uno sguardo alla formula per calcolare la massa di una particella: 2 2 t m = p c 1 (1.1) 2 l dove m è la massa della particella, t è il tempo di volo e l è la lunghezza della traiettoria misurata accuratamente con la TPC, c la velocità della luce, possiamo facilmente ricavare i contributi alla risoluzione temporale: m m = t t E m 2 ; m m = l l E m 2 ; m m = p. (1.2) p

7 4 Per particelle di energia relativamente grande il terzo contributo risulta trascurabile rispetto gli altri due. La misura del tempo di volo è prerogativa del TOF; ad esso viene richiesta una risoluzione temporale intrinseca migliore di 90ps e una risoluzione complessiva migliore di 150ps tenendo conto di tutte le sorgenti di errori. fig.1.1: Il grafico illustra la capacità di separazione di un sistema di tempo di volo posto a 3,7m dalla sorgente in funzione dell impulso e della risoluzione temporale

8 5 2. Sviluppo del TOF Il processo di ricerca e sviluppo del TOF sarà descritto solo nell ambito del rivelatore, lasciando la descrizione della parte elettronica del TOF, altrettanto fondamentale, ad altre fonti. 2.1 La scelta di un rivelatore a gas La grande superficie del TOF impone dei costi produttivi per il singolo rivelatore molto bassi. Le specifiche richieste dal progetto sono state ottenute in passato con sistemi di tipo scintillatore-fototubo, ma il costo di un TOF basato su questa tecnologia è decisamente proibitivo. I rivelatori a gas a facce piane parallele, grazie al campo elettrico uniforme che li caratterizza, forniscono un segnale immediato alla formazione di coppie elettrone-ione nel gap e questo li rende i candidati ideali per la costruzione del TOF. I candidati a questo scopo sono tre : il contatore di Pestov (Pestov Spark Counter), la PPC (Parallel Plate Chamber) e la MRPC. 2.2 La scelta delle MRPC Il contatore di Pestov Il contatore Pestov è un rivelatore a gap singolo che registra il passaggio di una particella carica tramite la creazione di uno streamer, questo genera un ritardo dovuto alla transizione nel meccanismo di scarica nel gas da un regime di valanga Townsend ad un regime di scintilla. Il suddetto ritardo non è costante, ma ha una variabilità che influenza negativamente la risoluzione temporale; per migliorare la risoluzione temporale occorre aumentare la pressione del gas, riducendo il cammino libero medio e accelerando il processo di creazione dello streamer. Un esempio di

9 6 contatore Pestov per un sistema di tempo di volo è composto da elettrodi metallici piani paralleli distanti 100µm ed ha un area di pochi cm 2, le dimensioni sono limitate per non consentire lo sviluppo di scariche con energia sufficiente a danneggiare gli elettrodi. Il contatore Pestov ha un tempo morto di conteggio superiore al ms, tempo necessario a rimuovere dal gap gli ioni creati (tempo morto dipendente dalla miscela di gas). Sostituendo l anodo metallico con uno resistivo (vetro semiconduttivo) e aggiungendo al gas una miscela fotoassorbente è possibile localizzare spazialmente la scarica e gli effetti di questa sulla tensione dell anodo; la tensione cala drasticamente solo dove è presente la scintilla lasciando il resto dello strumento sensibile al passaggio delle particelle e aumentando notevolmente il rate di acquisizione dello strumento. Nonostante il processo di sviluppo, il rivelatore presenta un rumore di fondo ovvero di conteggi in assenza di sorgente radioattiva nel caso di tensioni di lavoro alte e code temporali non gaussiane nel caso di una tensione di lavoro bassa. In entrambi i casi la pressione del gas interno ad un contatore di Pestov con la risoluzione temporale richiesta al TOF è 12 bar, il cui mantenimento su un volume simile a quello occupato dal sistema TOF, grava sull energia necessaria al funzionamento del rivelatore ALICE La PPC Una PPC è un rivelatore a gap singolo che opera in regime di valanga, è normalmente composto di due elettrodi metallici, o ricoperti di metallo, piani e paralleli distanti 0,5 2 mm. L uso delle PPC dà diversi problemi dal punto di vista tecnico: la larghezza del gap necessita una precisione di 10µm, così come la planarità delle superfici. Dal punto di vista delle prestazioni la piccola funzione lavoro del metallo abbassa notevolmente il rapporto segnale-rumore, inoltre il segnale è piccolo(100 fc).

10 MRPC Le RPCs (Resistive Plate Chambers) sono camere piane parallele a singolo gap con elettrodi resistivi che presentano diversi vantaggi rispetto alle PPC, ad esempio il rapporto segnale-rumore delle RPC è più grande di quello delle PPC. Sono stati prodotti dei prototipi di RPCs con un gap di 6 8mm dette Wide Gap RPC nelle quali la distanza fra gli elettrodi ha una tolleranza maggiore e il rate di acquisizione 10 volte maggiore rispetto alle RPCs con gap di 2mm che, per contro, hanno una migliore risoluzione temporale. La ricerca ha sviluppato un rivelatore che riassume le caratteristiche positive dell uno e dell altro tipo di RPC, tramite la suddivisione del gap in sotto-gaps con dei setti a potenziale elettrico fluttuante, da cui il nome MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber). Il vantaggio della creazione di più gaps è quello di conservare i pregi dell una e dell altra soluzione: è possibile ottenere una buona risoluzione temporale e rate di acquisizione senza dover ridurre il volume di gas sensibile o appensantirlo con una maggiore quantità di freon. La MRPC è, quindi, un rivelatore a stato gassoso con gap multiplo con elettrodi resistivi, a ridosso dei quali sono posti circuiti stampati con pads di read-out allo scopo di misurare i segnali indotti dallo spostamento nel campo elettrostatico delle cariche prodotte dalle valanghe in ciascuno dei sotto-gaps. 2.3 Lo sviluppo delle MRPC Il processo di sviluppo della tecnologia delle MRPC si è articolato in due fasi, la prima è la ricerca di una soluzione tecnica che soddisfacesse le richieste progettuali, costruendo un rivelatore a celle singole. Il passo successivo è l implementazione di una matrice di rivelatori con le stesse caratteristiche del rivelatore singolo semplificando i processi di costruzione, migliorando la capacità produttiva e abbassando nel contempo

11 8 i costi di produzione. Queste fasi hanno portato allo sviluppo dell attuale metodo di produzione delle MRPCs. 2.4 Descrizione delle strips di MRPC La ricerca di soluzioni efficaci ai molteplici problemi nella costruzione ha portato alla forma attuale delle strips composte da due MRPC sovrapposte. La figura2.1 mostra la sezione trasversale delle strips di MRPC illustrandone i componenti principali. fig. 2.1: La figura illustra la sezione trasversale di una double-stack MRPC. Le parti campite diagonalmente della figura 2.1 rappresentano i PCB sui quali sono stampate due file da 48 pads ognuna che hanno dimensioni

12 9 25x35 mm2. La MRPC ha una lunghezza complessiva di 122 cm e l area attiva è di 1200 x 74 mm2 sui quali il campo elettrico deve essere uniforme. La richiesta sull uniformità del campo elettrico rende necessaria l uniformità della resistività superficiale degli elettrodi. Nella figura 2.2 possiamo vedere l immagine della di una MRPC aperta ed un suo particolare fig.2.2: Strip di MRPC e suo dettaglio. I rilievi paralleli trasversali che si notano sono fili plastici che mantengono lo spesssore tra i vetri. Il sistema TOF è costituito da 1638 strips di MRPC disposte in modo tale da coprire l angolo solido con ottima accettanza ed economia.

13 10 3. Misure di resistività L uniformità della resistività superficiale lungo gli elettrodi è importante, perchè qualunque sia la posizione lungo la MRPC nella quale si genera una ionizzazione a valanga il segnale in uscita dalla read-out pad corrispondente deve essere il medesimo (par.3.1); da questo la necessità di monitorare la resistività. Prima di procedere è bene introdurre l unità di misura della resistività superficiale. Scriviamo la legge di Ohm per 2- dimensioni: S j S E = ρ (3.1) dove E è il campo elettrico, ρ S è la resistività superficiale e j S è la densità di corrente superficiale che definiamo scrivendo la corrente di che attraversa un segmento infinitesimo dl come di = j ndl (3.2) S dove n è il versore normale al segmento dl. Considerando ora una superficie rettangolare attraversata da una densità di corrente superficiale j S uniforme e parallela all asse x (fig.3.1) fig. 3.1: con una resistività superficiale ρ S anch essa uniforme nella regione di spazio descritta, calcoliamo il rapporto fra la differenza di potenziale elettrico tra i punti x=0 e x= X e la corrente che attraversa il rettangolo:

14 11 R = V I = X 0 Y 0 E dx j S = xdy ˆ X ρ j S 0 Y 0 j S S xdx ˆ xdy ˆ = X ρ S jsdx 0 X = ρ Y S Y. (3.3) j dy Si nota dalla (3.3) che la resistività superficiale ha le dimensioni di una resistenza, tuttavia per ricordarsi le restrizioni (bidimensionalità) poste al sistema, l unità di misura standard è X= Y. 3.1 Caratteristiche minime degli elettrodi 0 S Ω o Ω/, in quanto ρ square S =R se Le caratteristiche richieste agli elettrodi sono una rate capability maggiore di 50Hz/cm 2 e la trasparenza al segnale di ionizzazione, queste incidono sulla resistività degli elettrodi richiesta. Ricordando l elettrodinamica classica possiamo dedurre il comportamento dinamico dell eccesso di carica in una superficie resistiva tramite la generalizzazione della soluzione unidimensionale del problema della diffusione che vedremo in dettaglio. Si consideri un elemento di lunghezza dx di un conduttore infinito con resistenza per unità di lunghezza ρ L e capacità per unità di lunghezza ξ, con schema elettrico riportato in figura 3.2 dx ρ L dx ξdx fig.3.2 scrivendo la caduta di potenziale elettrico sull elemento dx

15 12 la corrente che scorre nella capacità U = I ρ x, (3.4) L U I = ξ x (3.5) t e l equazione di continuità per la carica nel conduttore I otteniamo l equazione di diffusione U t L q = t 2 1 U = 2. (3.6) ρ ξ x la soluzione dell equazione differenziale con condizioni iniziali Q0 x = t = 0; q ( x, t = 0) = (3.7) 0 x 0, t = 0; è la distribuzione di carica q (x,t) valida per t 0 Q0 t ρ (, ) exp Lξ q x t x π ρ Lξ t = si noti che le dimensioni di = [ T L ] ρ Lξ (3.8) sono quelle di un parametro di diffusione. Analizzando la soluzione 3.8 alla luce delle richieste progettuali vediamo che la lunghezza t r, dove t r è il tempo di risposta delle pad, ρ L ξ deve essere inferiore alle dimensioni delle stesse per evitare che la scarica coinvolga più pads. Il tempo ρ ξ d L 2, dove d è metà della lunghezza dell elettrodo, deve essere inferiore a 20ms che è il tempo morto che ci si aspetta con una rate capability di 50Hz/cm 2. Valutando come la capacità per unità di superficie di un condensatore ad armature piane parallele (ε R ε 0 /l) con le dimensioni e i materiali del caso sotto esame, la resistività

16 13 superficiale dovrà avere un valore di circa specifica (σ/media) inferiore al 30%. 5 MΩ e una varianza square 3.2 Strumenti di misura La misura di resistività superficiale è fondamentalmente una misura di resistenza. Lo strumento che si utilizzerà sarà quindi un ohmetro collegato ad un sensore in grado di fornire una grandezza legata univocamente alla resistività superficiale sotto analisi. Esistono diversi tipi di sensore a questo scopo. Il sensore che permette un uso più flessibile è di forma circolare, la densità di corrente superficiale scorre radialmente nell area in analisi che è una corona circolare fig.3.3 In questo caso la resistenza misurata fra i due elettrodi, supponendo la resistività costante all interno dell area, si ricava ponendo j s = I 2π r con r distanza dal centro della corona ed integrando lungo il raggio la legge di Ohm (3.1) rout ln Routr Rout Rout ρ S I dr = rin V E d r = ρ S js d r = = ρ S I. (3.9) 2π r 2π R in R in la resistenza misurata è uguale alla resistività superficiale per un fattore moltiplicativo 1 r ln 2π r out in R in. Questa soluzione è ottima se si desidera investigare piccole porzioni di grandi aree, tuttavia presenta alcune

17 14 difficoltà dal punto di vista costruttivo, prima fra tutte la difficoltà di sagomare le superfici conduttive in forma perfettamente circolare e concentrica. Una soluzione più semplice ed efficace per il caso in questione è la costruzione di un sensore di forma quadrata che realizza le condizioni descritte dalla figura 3.1. Un sensore di resistività costruito con questo criterio presenta il problema di dover essere applicato ad un area resistiva rettangolare con il lato più corto uguale alla distanza fra i contatti metallici. Nel caso in cui il sensore è più piccolo dell area da investigare si verifica una situazione simile a quella illustrata in figura 3.4, ovvero un flusso di corrente disperso sulla superficie che non permette di analizzare esclusivamente l area all interno del quadrato, con conseguente sottostima della resistività ρ S. Le restrizione d uso di questo sensore non influiscono particolarmente sul nostro caso, in quanto è sufficiente dimensionare il sensore in modo da avere la distanza fra i contatti uguale alla larghezza dello strato di vernice resistiva. Gli elettrodi resistivi delle MRPC sono costituiti da vetri spessi 550µm di forma rettangolare di dimensioni 85x1220mm 2 ; una vernice resistiva copre una superficie di 74x1220mm 2. fig. 3.4 La situazione teorica descritta non corrisponde esattamente alla realtà a causa della rugosità delle superfici. Sulla superficie resistiva, presso i punti di contatto con il sensore, ci sono delle zone di transizione fra il regime di corrente ideale descritto nella figura 3.1 e i punti di contatto con il sensore.

18 15 Un idea della transizione può essere presa dalla figura 3.5, dove senza rigore matematico sono rappresentate le linee di flusso della densità di corrente superficiale. Questa discrepanza fra modello e realtà genera un off-set nell output resistivo del sensore che può essere ridotto ponendo un peso (0,5 4 Kg) sopra il sensore migliorando il contatto fra la superficie e il sensore. fig. 3.5 Il sensore utilizzato ha le seguenti dimensioni fig. 3.6

19 Il picoamperometro con interfaccia La misura di resistività superficiale degli elettrodi è stata svolta con il sensore in figura 3.6 collegato ad un multimetro in modalità ohmetro. Questo sistema di misura ha permesso di controllare il comportamento della resistività superficiale degli elettrodi nel tempo. La grande quantità di vetri resistivi del rivelatore di tempo di volo ha determinato la necessità di realizzare un sistema di misura e memorizzazione dei dati più rapido. Lo strumento che permette di ridurre i tempi di misura è un picoamperometro con sorgente di tensione continua e interfaccia seriale RS232 e parallela IEEE-488. Questo strumento ha la possibilità di essere interfacciato con un calcolatore dotato di opportuna interfaccia hardware e software; questa peculiarità permette la memorizzazione su calcolatore durante la misura abbreviando notevolmente il tempo destinato a questa. Nella tabella 3.1 riportiamo i dati tecnici del picoamperometro Keithley6487 per gli intervalli di lavoro dello strumento. Current range resolution accuracy 2 na 10 fa 0,3%+400 fa 20 na 100 fa 0,2%+1pA 200 na 1 pa 0,15%+10pA 2 µa 10 pa 0,15%+100pA 20 µa 100 pa 0,1%+1nA voltage range step size accuracy ±10.1V 200µV 0,1% + 1mV tab Schema elettrico del set-up sperimentale Lo schema del circuito elettrico componente il set-up sperimentale è relativamente semplice. fig. 3.7

20 Software di acquisizione Il software che permette di acquisire i dati dal picoamperometro e memorizzarli nella memoria di massa di un calcolatore è uno strumento virtuale implementato con il linguaggio di programmazione visuale LABVIEW TM. Questa applicazione permette di utilizzare la porta di comunicazione seriale RS232 per il trasferimento di dati fra il calcolatore e lo strumento, in modo tale da poter pilotare in remoto lo strumento, compiere le operazioni preliminari del medesimo e trasferire le misure di resistività su di un file (ad es. un foglio di lavoro). In figura 3.8 è possibile vedere il front panel dello strumento virtuale fig. 3.8: Front panel dello strumento virtuale

21 Ripetibilità e incertezze Le specifiche tecniche del Keithley6487 dovrebbero garantire un incertezza di misura dello 0,2 0,4% (tab.3.1.). Ponendo il sensore sull elettrodo con il peso su di esso e misurando un numero di volte sufficiente ad accumulare una statistica significativa, rileviamo una dispersione gaussiana delle misure (fig.3.9) con varianza specifica (σ/media) dell ordine di grandezza aspettato. counts counts ; mean=4,62mω ; s = 0,02 MΩ ; σ/mean = 0,46% 4,56 4,58 4,6 4,62 4,64 4,66 MΩ/square fig.3.9 Nel caso in cui la misura è ripetuta compiendo un operazione di riposizionamento del sensore (ovvero alzandolo e riabbassandolo sullo stesso punto), la dispersione dei dati è maggiore (fig. 3.10) a causa dell incertezza sulla posizione. L incertezza relativa da considerare in una misura sugli elettrodi dovrà quindi essere presa dell ordine di qualche punto percentuale, quindi perfettamente adeguata per il controllo della resistività lungo l elettrodo counts; mean =5,63MΩ; σ =0,11MΩ; σ/mean=2% 20 counts ,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 MΩ/square fig.3.10

22 Operazioni standard di misura Le operazioni di misura su di un elettrodo sono molto semplici. Dopo aver reso operativi il calcolatore ed il picoamperometro, è necessario: 1. avviare l applicazione di misura, 2. inserire i dati delle variabili ambientali (temperatura, umidità relativa, codice identificativo del vetro, ecc.), 3. iniziare l operazione di misura sull elettrodo premendo il pulsante PROCEDI sullo schermo, 4. porre il sensore sull elettrodo nel punto desiderato, 5. porre i peso su di esso, 6. eseguire il comando misura tramite il pulsante MISURA sullo schermo, 7. attendere l operazione di misura e trasferimento dati, 8. togliere il peso e riprendere dal punto 4. nel caso si desideri analizzare altri punti della superficie, 9. nel caso si desideri analizzare un nuovo vetro, inserire le specifiche del nuovo vetro e riprende dal punto chiudere applicazione e spegnere lo strumento. fig.3.11: Il banco di lavoro durante la misura

23 20 4. Caratteristiche resistive degli elettrodi Le caratteristiche meccaniche degli elettrodi non sono in discussione in questa relazione, in ogni caso gli stress meccanici (vibrazioni, flessione, abrasione,ecc ) ai quali sono sotto posti gli elettrodi durante l uso non sono tali da richiedere uno studio di questo problema. Durante la vita operativa del rivelatore gli unici shock ai quali è sottoposta una MRPC sono gli streamers e la corrosione da parte degli alogenuri prodotti dalla disgregazione delle molecole di freon nel gas. Le caratteristiche elettriche in studio sono relative alla vernice resistiva: la funzione lavoro e la resistività superficiale dello strato di vernice acrilica. La seconda di queste è oggetto di questa relazione ed è riassunta in cinque misure di resistività prese in diversi punti della superficie (2,5cm, 30cm, 55cm, 81cm e 107cm dal bordo sinistro). È lecito domandarsi se cinque misure sono sufficienti per esprimere le variazioni di resistività sull elettrodo; studiando il problema del campionamento del segnale e la trasformata di Fourier sappiamo che qualora fossero presenti variazioni della resistività con lunghezza d onda inferiore alla distanza fra due punti di misura queste potrebbero distorcere la funzione ricostruita tramite i campioni. Il dubbio in questione può essere fugato dalla statistica, ovvero se l andamento dei campioni all interno di un elettrodo è simile per tutti gli elettrodi prodotti con lo stesso sistema, possiamo supporre che non vi siano delle distorsioni nell operazione di misura o che queste abbiano un valore inferiore all incertezza di misura. 4.1 Composizione chimica della vernice resistiva L aspetto degli elettrodi è quello di un vetro di dimensioni 85x1220mm verniciato su una superficie di dimensioni 74x1220; sono stati studiati due tipi di vernice con composizione chimicha diversa. Una di colore rosso è una vernice acrilica non siccativa con impurità metalliche (ossidi di cromo e zinco) dove la resistività superficiale è regolata tramite la quantità di

24 21 catalizzatore 1 durante la produzione della vernice stessa e può essere depositata sul vetro tramite diversi processi di verniciatura (immersione, spruzzatura, getto di vernice). Gli elettrodi di colore grigio sono vetri cosparsi di uno strato di Lycron miscelato con impurità di stagno; il processo di pittura in questo tipo di elettrodi è esclusivamente la spruzzatura, questa permette la deposizione uniforme e controllata del Lycron, e la regolazione della resistività tramite la quantità di pigmento depositato. 4.2 Uniformità e valor medio della resistività La produzione degli elettrodi resistivi avviene in uno stabilimento esterno ai laboratori dell INFN; un continuo scambio di informazioni fra il produttore degli elettrodi e il laboratorio è fondamentale per ottimizzare la produzione. Il produttore costruisce campioni di elettrodi realizzati tramite diverse tecniche di verniciatura e diverse composizioni chimiche, permettendo al laboratorio di effettuare misure di qualità del prodotto e determinare le tecniche più adatte per la produzione. In Figura 4.1 sono rappresentate la resistività normalizzata (ρ i =ρ i /ρ 1 ) in funzione della distanza dal bordo sinistro per campioni corrispondenti ad quattro procedimenti produttivi e composizioni chimiche di vernice acrilica; in figura 4.2 sono rappresentate le distribuzioni delle medie sui cinque punti di ogni singolo vetro dei quattro campioni di produzione illustrati in figura 4.1. Il Campione Td è stato verniciato tramite getto, tuttavia la velocità longitudinale del getto non è stata uniforme sui 120 cm del vetro cosi il primo punto risulta molto più resistivo degli altri quattro. L effetto appare, sull estremo opposto, anche nel campione Tc sebbene con minore probabilità. I campioni Tg e Te hanno un buon grado di uniformità e il campione Tg presenta in gran parte dei suoi elementi la resistività media ricercata per gli elettrodi delle MRPC. 1 Le vernici e i composti denominati acrilici sono composti da polimeri di molecole che presentano il gruppo acrilico nella loro composizione, il catalizzatore è un reagente che facilita la polimerizzazione.

25 22 fig4.1: Resistività normalizzata in funzione della distanza fig 4.2: Distribuzioni del la resistività media degli elettrodi per i relativi campioni; è indicata la percentuale di catalizzatore

26 Assestamento delle caratteristiche della vernice Un inconveniente che abbiamo riscontrato in questo tipo te di misura è la tendenza della resistività superficiale a diminuire nel tempo. Il periodo di tempo nel quale la resistività diminuisce è limitato, si tratta di un periodo di assestamento dopo la verniciatura nel quale lo strato resistivo raggiunge l equilibrio. Questo processo è più rapido nelle zone dove la resistività è maggiore e la varianza specifica, ovvero il rapporto fra lo scarto quadratico medio e la media sui cinque punti di misura, non ha variazioni significative. a b fig.4.3a,b: Andamento della resistività superficiale media e della varianza specifica in funzione del tempo. I grafici in figura 4.3 mostrano il comportamento delle due tipologie di elettrodo.

27 Assestamento tramite trattamento termico Il processo di assestamento è una caratteristica della vernice che presenta diversi svantaggi, per primo la scarsa flessibilità di utilizzo, ovvero la necessità di monitorare la resistività costantemente fino al compimento dell assestamento. La necessità di accelerare il processo di assestamento è stata soddisfatta con l uso di un trattamento termico ad alta temperatura. Ponendo gli elettrodi in un forno asciugatore ad una temperatura di C è possibile accelerare il processo di assestamento. fig 4.4a,b:Esempio di assestamento accelerato per le due tipologie. Come è possibile osservare in figura 4.4 il processo di assestamento si compie attraverso un trattamento termico di circa 1000 minuti (16 ore e 40 minuti). Il processo di polimerizzazione di entrambe le vernici è del tipo non siccativo (nelle vernici di tipo siccativo il processo di polimerizzazione avviene per semplice esposizione all aria) che avviene in un ambiente a temperatura elevata (1200 C), il processo di assestamento consiste in un rilassamento delle tensioni interne generate dal processo di raffreddamento.

28 25 5 Conclusioni Gli scopi di questa relazione erano principalmente la realizzazione di un sistema di misura rapido e la verifica delle caratteristiche degli elettrodi. Il primo scopo è stato raggiunto grazie alla presenza dell interfaccia nel picoamperometro KEITHLEY6487, con la realizzazione del software necessario alla formattazione dei dati sperimentali in foglio di lavoro. La seconda parte degli scopi di questa relazione è stata raggiunta riscontrando con il sistema di misura rapido le medesime caratteristiche di assestamento misurate in passato con il sistema non automatizzato. Il motivo per il quale la vernice resistiva è soggetta ad un assestamento delle sue proprietà elettriche è da ricercarsi nella natura del processo di polimerizzazione. Gli inconvenienti derivanti dal processo di assestamento sono stati rimediati tramite l utilizzo del trattamento termico. È possibile condizionare gli elettrodi nell arco di 24 ore ed utilizzarli, dopo gli opportuni controlli, nella costruzione delle MRPC. Le due tipologie di vernice riescono a soddisfare le richieste sulle proprietà elettriche degli elettrodi; i criteri che hanno portato alla scelta della vernice acrilica per la produzione delle MRPC sono di natura tecnica. Il Lycron presenta diversi inconvenienti: la scarsa resistenza all abrasione che limita l affidabilità degli elettrodi e la tossicità che influisce grandemente sulla logistica e la capacità produttiva.

29 26 Bibliografia ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC; ALICE Collaboration, Alice TDR8, CERN/LHCC; G. Giacomelli, Introduzione alla fisica delle particelle elementari;