Rivelatori Čerenkov. M. Sozzi Lab. Fisica Interaz. Fondamentali

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Giuliano Guerra
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1 Rivelatori Čerenkov

2 Effetto Черенков Pavel Alekseyevich Cherenkov ( ) Nobel 1958 Fronti d onda per v<c/n Fronti d onda per v>=c/n

3 Analogie

4 Effetto Čerenkov (3) Il'ja Mikhailovich Frank ( ) Nobel 1958 Igor Yevgenyevich Tamm ( ) Nobel 1958 Dipoli orientati simmetricamente rispetto alla direzione del moto Asimmetria rispetto alla direzione del moto

5 Effetto Čerenkov (4) Angolo Cerenkov = f(β) Numero di fotoni = f(β)

6 Effetto Čerenkov (5) Luce Cerenkov in reattore nucleare Anelli Cerenkov a SuperKamiokande

7 Anelli Čerenkov

8 Rivelatori Čerenkov (1) A soglia Differenziale Risoluzione temporale

9 Rivelatori Čerenkov (2) Rivelatore Cerenkov a soglia

10 Rivelatori Čerenkov (3) Esperimento ANTARES Sudbury Neutrino Observatory

11 Rivelatori Čerenkov (4) Identificazione di particelle Scelta del gas

12 RICH (1) Ring Imaging CHerenkov counter Tom Ypsilantis ( ) e J. Seguinot

13 RICH (2)

14 RICH: SuperKamiokande

15 Radiazione di transizione de α 1 = θ dωdθ π 1/ γ + θ + ( ω ω Pi 4παn = m e ei P1 / ω) 2 (28.8eV) 2 2 1/ γ + θ 2 Zρ A 1 + ( ω P2 / ω) 2 2 Spettro in frequenza Distribuzione angolare Energia Singola interfaccia (polipropilene-aria) e 4 GeV (γ = 8000) 400 strati di polipropilene da 20 µm spaziati da 180 µm di elio

16 TRD Transition Radiation Detector = 2 / / log / P P P P P P d de ω γ ω ω γ ω ω ω γ ω ω ω π α ω ) ( P P P E ω ω αγω << = Intrerfacce multiple Rivelatore a gas pesante (Xe) per rivelare fotoni X

17 TRD ATLAS Transition Radiation Tracker straws polipropilene-co 2 Fotoni da 10 kev Risoluzione 130 µm Prototipo TRD esperimento ALICE

18 Rivelatori a gas

0.04 ev Distribuzione di Maxwell-Boltzmann James Clerk

19 Moto coerente r v d Moto nei gas r =µ E dn dv = 3/ 2 4 m 2 π e 2 kt v π Moto termico mv 2kT 2 E STP 3 = kt ev Distribuzione di Maxwell-Boltzmann James Clerk Maxwell ( ) Ludwig Eduard Boltzmann ( )

20 Ionizzazione nei gas Gas nobili Sezioni d urto Ionizzazione primaria

21 Palladino Deriva

22 Trasporto e diffusione ρ 2 t = D ρ Seconda legge di Fick µ = qd kt Relazione di Einstein-Smoluchowski Adolf Fick ( ) Albert Einstein ( ) Nobel 1921 Marian Ritter von Smolan Smoluchowski ( )

23 Diffusione σ x (diffusione dopo 1 cm) ρ( x,0) = ρ( x, t) = ρ ( x) 0 1 ( 2 πdt) 3 dx' ρ ( x' ) e 0 ( x x' ) 2 / 4 Dt Palladino σ x = 2 Dt = 1 D= λv 3 Coefficiente di diffusione 2Dx v d

24 Moltiplicazione (1) Formazione valanga in < 1 ns Primo coefficiente di Townsend α

25 Moltiplicazione (2) Brown Allkofer

26 Moltiplicazione (3) α = p Ae Bp/ r E Argon-Isobutano

27 Scarica elettrica (C) Naidu

28 Regimi

29 Camera a ionizzazione Necessaria formatura del segnale

Segnale indotto (1) 3 0V William Shockley (1910-1989)

30 Segnale indotto (1) 3 0V William Shockley ( ) Nobel 1956 Pot. applicato V1=1V r 1 q m E w 2 dl r θ r v Corrente indotta 0V 4 0V C. Guazzoni Simon Ramo (1913-) 1 q V = QV Q = q V m m i V = 1V ( t) = q E v m r w 1 r m m

31 d z 0 Singola ionizzazione i r E Segnale indotto (2) V = b d z Vb r 1 E w = z d d 0 Ionizzazione continua i Ne C. Guazzoni Vb i r r ( t) = qew v= e( Ewv) = e = 0 t td i(t) v d e td i(t) v i 1 d ( t) = Ne t t d q(t) e (d-z) e d t d-z t d-z t d t d Corrente indotta t Carica indotta t q(t) Ne/2 t ( t) i( τ) t dτ = Ne td 1 Q s = t d t d 0 2 t t d 2 t t

32 Tubi proporzionali (1) 1955: contatore proporzionale (metano, 3kV), o G-M (elioisobutano, 1.3kV)

33 Tubi proporzionali (2)

34 Tubi proporzionali (3) Argon-Isobutano gap 50µm, 1 bar, 1000V Guadagno del tubo

35 Effetto Geiger-Muller Hans Geiger ( ) [e Walther Müller ( )] Effetto fotoelettrico diffuso

36 Contatori Geiger

37 Quenching Engherhardt, Hake Spettro di eccitazione di CO 2 Qm: trasferimento di impulso, Qv: vibrazione, Qx: elettroni, Qi: ionizzazione

38 RPC (Resistive Plate Chamber)

39 Camere a scintilla

40 Camere a streamer HV impulsata

41 MWPC (Multi-Wire Proportional Chamber) Georges Charpak (1924-) Nobel 1992

42 MWPC l = distanza A-K ~ 5mm, s = spaziatura fili ~ 2-4mm, d = diametro anodi ~ 20µm

43 MWPC

44 Lettura catodica (2D) G. Charpak, F. Sauli (1973)

45 MicroStrip Gas Chamber A. Oed (1988)

46 Gas Electron Multiplier (GEM) F. Sauli et al. Foglio metallizzato con fori/mm 2 Diametro 70 µm Separazione 140 µm Contatori proporzionali indipendenti frequenze di conteggio elevate

47 Camere a deriva (1) Albert H. Walenta (1971) Relazione non lineare spazio-tempo

48 Camere a deriva (2) Relazione spazio-tempo Velocita di deriva

49 Camere a deriva (3) Velocita di deriva: saturazione

50 Camere a deriva Camera a deriva di KLOE (Frascati) Camera a deriva di BaBar (SLAC)

51 Time Projection Chamber D. Nygren (1976)

52 TPC (STAR) Brookhaven National Laboratory (USA) Diametro e lunghezza 4m ca pad lette da digitizzatori per la misura di de/dx e la tracciatura. 70M elementi di volume a 10 bit Au+Au (100 GeV+100 GeV)

53 Spettrometri magnetici

54 Spettrometri magnetici: errore

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