Lezione 14 Camere a deriva

Transcript

1 Camere a deriva Possono essere considerate come derivate delle camere proporzionali. In questo caso ricavo la coordinata misurando un tempo. scintillator x DELAY Stop TDC Start drift anode Measure arrival time of electrons at sense wire relative to a time t 0. low field region drift high field region gas amplification x vd ( t) dt Rivelatori di Particelle 1

2 Camere a deriva 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~ V/cm) ~50 mm/ms. Rivelatori di Particelle 2

3 Camere a deriva Attenzione:precisione limitata dalla diffusione ed efficienza ridotta se in presenza di elementi elettronegativi. Rivelatori di Particelle 3

4 Diffusione In presenza di campo elettrico: deriva. Lezione 14 Camere a deriva limite intrinseco delle camere a Il coefficiente di diffusione diminuisce aumentando il campo elettrico (con campi tipici di 1KV/cm la risoluzione è ~100mm per una distanza di deriva di 1 cm). Concludendo: x x 2KT ev In presenza di campo elettrico, aumentando il campo diminuisce la diffusione usare gas freddi (CO 2 ) 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 D T >D L 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 v T /w la diffusione diminuisce. 0 Rivelatori di Particelle 4

5 Camere a deriva La risoluzione non è determinata dalla spaziatura dei fili meno fili, meno elettronica, meno strutture di sostegno rispetto alle MWPC. Resolution determined by diffusion, path fluctuations, electronics primary ionization statistics (N. Filatova et al., NIM 143 (1977) 17) Rivelatori di Particelle 5

6 Camere a deriva 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. Rivelatori di Particelle 6

7 Camere a deriva piane. Lezione 14 Camere a deriva 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 v D non è costante. Un po meglio della configurazione di sopra E costante s=s o +bt (U. Becker, in: Instrumentation in High Energy Physics, World Scientific) Rivelatori di Particelle 7

8 Camere a deriva Ambiguità destra sinistra: la misura di tempo non può discriminare fra destra e sinistra staggering t 2 t 1 t 1 +t 2 = tempo per percorrere ½ cella Se la cella è di ±5 cm ( 50 mm/ms ) t 1 +t 2 = 1 ms. Rivelatori di Particelle 8

9 Camere a deriva cilindriche. Lezione 14 Camere a deriva 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) Rivelatori di Particelle 9

10 Camere a deriva cilindriche. Lezione 14 Camere a deriva 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. Rivelatori di Particelle 10

11 Camere a deriva 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). Rivelatori di Particelle 11

12 Camere a deriva 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 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 Rivelatori di Particelle 12

13 Camere a deriva JVD di UA2 Rivelatori di Particelle 13

14 Camere a deriva JVD di UA2. lunghezza mm raggio interno 34.0 mm raggio esterno mm raggio interno sensibile 40.0 mm raggio esterno sensibile mm numero di settori 16 numero di sense/settore 13 spaziatura dei sense 6.44 mm sense staggering 0.20 mm materiale sense 25 mm di Ni-Cr materiale fili guard-field 100 mm Cu-Be tensione meccanica sense (50 1) g spessore parete interna (fibra carbonio) X 0 spessore parete esterna (vetronite) X 0 spessore tubo alluminio X 0 spessore totale JVD (a 90 o ) X 0 mistura di gas argon(60%) + etano(40%) campo elettrico nella regione di deriva kv/cm pressione 1 Atm velocità di deriva mm/ns Rivelatori di Particelle 14

15 JVD di UA2 Lezione 14 Camere a deriva 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 mm 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 mm, sono di una lega di Ni- Cr ed hanno una resistenza di 2700 W. Sono tirati con una tensione di 50 1 g. Tutti i fili di guardia in un settore sono mantenuti allo stesso potenziale negativo 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 3X10 4 e la velocità di deriva era ( ) mm/ns, costante su tutta la regione di drift. Rivelatori di Particelle 15

16 Camere a deriva JVD di UA2 Due tracce possono essere distinte col 90% di efficienza se distanti di 2 mm (40 ns) La risoluzione media rf era di 150 mm 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 /<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% Rivelatori di Particelle 16

17 Camere a deriva Camere a jet. Rivelatori di Particelle 17

18 Camere a deriva Camera a jet di OPAL. Il campo E è ortogonale ai fili anodici e la camera è in campo magnetico solenoidale (// ai fili anodici) gli elettroni seguono una traiettoria non // ad E, ma formano con E un angolo a <v >(B/E). Per migliorare la risoluzione (misura di de/dx) si opera ad alta pressione (e.g. 4 atmosfere) si sopprimono le fluttuazioni della ionizzazione primaria (>ionizzazione), ma attenzione, la pressione non deve essere troppo elevata, altrimenti interviene l effetto densità e de/dx raggiunge il plateau di Fermi. Misura della coordinata z (// ai fili anodici) con divisione di carica. Ambiguità destra-sinistra risolta sfalsando i fili anodici di ±100 mm. Rivelatori di Particelle 18

19 TPC (time projection chamber). Lezione 14 TPC Il meglio dei meglio è al momento realizzato con le time projection chambers. Poco materiale (solo gas) minimizzo lo scattering multiplo e la conversione dei fotoni. Rivelatori di Particelle 19

20 TPC TPC Traiettoria della particella B Pad catodiche Fili anodici gas Piano di lettura Elettrodo centrale ( -50kV) La camera è divisa in 2 metà tramite un elettrodo centrale Gli elettroni di ionizzazione primaria si muovono nel campo elettrico verso le placche finali della camera (normalmente delle MWPC). Campo magnetico // al campo elettrico. La diffusione ortogonale al campo è soppressa dal campo B. Il tempo di arrivo degli elettroni sulle placche finali fornisce la coordinata lungo l asse del cilindro (z). La moltiplicazione degli elettroni avviene vicino agli anodi. x e y si ottengono dagli anodi e dal catodo della MWPC suddiviso normalmente in pad. Rivelatori di Particelle 20

21 TPC La TPC permette di determinare un punto nello spazio ( x,y,z ovvero r,f,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 mm Richieste: i. Per misurare bene la coordinata z bisogna conoscere perfettamente la v D 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% V centr =-55kV B=1.325T lunga 2m e con raggio 1m. Aleph TPC lunga 4.4 m e diametro 3.6 m, risoluzione rf =173mm, z =740 mm per leptoni isolati. Rivelatori di Particelle 21

22 TPC Space charge problem from positive ions, drifting back to medial membrane gating Rivelatori di Particelle 22

23 Problemi: Lezione 14 TPC 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 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. ALEPH TPC (ALEPH coll., NIM A 294 (1990) 121, W. Atwood et. Al, NIM A 306 (1991) 446) DV g = 150 V Rivelatori di Particelle 23

24 TPC Rivelatori di Particelle 24

25 TPC Rivelatori di Particelle 25

26 TPC Rivelatori di Particelle 26

27 TPC Rivelatori di Particelle 27

28 TPC Rivelatori di Particelle 28

29 TPC Rivelatori di Particelle 29

30 Micro Apparati a Gas Altre camere derivate dalle camere a deriva sono: Microstrip Gas Chambers Micro Gap Chambers Micro gap wire chambers Micromegas GEM Rivelatori di Particelle 30

31 Micro Apparati a Gas Più velocità e maggiore precisione? strutture più piccole Microstrip gas chambers (A. Oed, NIM A 263 (1988) 352) drift electrode (ca kv) geometry and typical dimensions (former CMS standard) Gold strips + Cr underlayer gas volume 80 mm 10 mm 100 mm C (-700V) A backplane substrate 3 mm 300 mm Glass DESAG AF45 + S8900 semiconducting glass coating, r=10 16 W/ Rivelatori di Particelle 31

32 Field geometry Lezione 14 Micro Apparati a Gas A ions C Gas: Ar-DME, Ne-DME (1:2), Lorentz angle 14º at 4T. CMS Passivation: non-conductive protection of cathode edges Resolution: mm Aging: Seems to be under control. 10 years LHC operation 100 mc/cm Fast ion evacuation high rate capability 10 6 /(mm 2 s) Gain 10 4 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. Rivelatori di Particelle 32

33 Micro Apparati a Gas 2-6 mm Rivelatori di Particelle 33

34 Camere a deriva Rivelatori di Particelle 34

35 Camere a deriva Variazione della Micro-strip gas chamber ha guadagni più alti. Rivelatori di Particelle 35

36 Camere a deriva Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber (lez. 13 slide 31) miniaturizzata. Quasi una micro-tpc. Rivelatori di Particelle 36

37 GEM (gas electron multiplier) Lezione 14 Micro Apparati a Gas (R. Bouclier et al., NIM A 396 (1997) 50) mm mm mm Kapton + 2 x 5-18 mm Copper Rivelatori di Particelle 37

38 Micro Apparati a Gas 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. Guadagno ~ Rivelatori di Particelle 38

39 Micro Apparati a Gas Single GEM + readout pads Rivelatori di Particelle 39

40 Micro Apparati a Gas Double GEM + readout pads Same gain at lower voltage Less discharges Rivelatori di Particelle 40

41 Invecchiamento di Apparati a Gas 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 Invecchiamento R [%/(C/cm)]: DA/A=RQ/l. deposito di carica sull anodo. Rivelatori di Particelle 41

42 Invecchiamento di Apparati a Gas L invecchiamento relativo R può variare da valori trascurabili <10(Ar/C 2 H 6 50/50) a valori catastrofici >10 6 (CH % 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 o Acqua: aumenta la conducibilità superficiale 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 Rivelatori di Particelle 42

43 Simulazione delle camere 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. Rivelatori di Particelle 43

44 Simulazione delle camere Alcuni esempi: Rivelatori di Particelle 44

45 Simulazione delle camere Rivelatori di Particelle 45