I MRPC del TOF nell esperimento ALICE

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1 I MRPC del TOF nell esperimento ALICE L esperimento ALICE. Caretteristiche fondamentali del TOF. Sviluppo dei MRPC (Camere multigap a piani resistivi). Risultati su fascio e al GIF. Conclusioni. A.Margotti INFN Bologna 1

2 L esperimento ALICE (LHC) Collisioni di ioni di Pb-Pb ad energie del centro di massa nucleone-nucleone di ~5.5 TeV Prove dell esistenza del plasma di quark e gluoni (QGP) attraverso : canali adronici (per esempio aumento della stranezza e soppressione degli stati legati (cc) canali elettromagnetici (per esempio coppie di leptoni) 2

3 Il rivelatore ALICE HMPID TOF TRD TPC PMD PHOS ITS Muon arm 3

4 Descrizione dell apparato Il sistema del TOF copre una superficie cilindrica (θ[45,135 ]) sull intero angolo azimutale Φ L intera struttura e` composta da 18 settori, rispetto a Φ Ogni settore comprende 5 moduli paralleli alla direzione del fascio Tre sono i tipi di modulo necessari per ogni settore: 1 centrale con 15 MRPC 2 intermedi con 20 MRPC 2 esterni con 19 MRPC 4

5 Il sistema di TOF in ALICE Il TOF di ALICE identifica k, π, p prodotti nella regione centrale con impulsi da 0.5 a 2.5 GeV/c Caratteristiche fisiche del rivelatore: Risoluzione temporale <100ps Alta efficienza >95% Alta granularità 10 5 canali in modo da consentire bassa occupancy 15% Garantire il funzionamento in presenza di rate elevati 50Hz/cm2 Coprire un area di circa 150m 2 Scelta su rivelatori a gas MRPC 5

6 Il TOF in ALICE SUPPORTO moduli intermedi modulo centrale TOF moduli esterni 6

7 Perchè un MRPC Per avere elevata efficienza occorre uno spesso strato di gas. Per migliorare la risoluzione temporale un sottile strato di gas: Nuova idea: camera multistrati: 1996 A.Zichichi et al NIM a374 HV catodo catodo HV piani resistivi anodo anodo Limiti: Tensioni molto più alte. Aumenta l impronta lasciata dalla carica sul pad di lettura. 7

8 Perche` ` un MRPC a doppio stack? -HV 0 6 gaps VANTAGGI: Numero maggiore di gaps Tensione di lavoro bassa Segnale più ampio di un fattore 2 Impronta lasciata dalla carica sul pad più concentrata Piazzola catodo segnale Piano resistivo (catodo) Piani di vetro Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale -HV 3 gaps +HV 3 gaps -HV Soluzione: MRPC a doppio stack Piazzola catodo segnale Piano resistivo (catodo) Piani di vetro Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale Piano resistivo (catodo) Piani di vetro Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale 8

9 MRPC a doppio stack I MRPC progettati per il TOF hanno le segueni caratteristiche: Ogni strip è composta da 96 pads disposti su due file di 48 ciascuna. cuna. Le dimensioni di ogni pad sono 37x25mm e coprono un area attiva di 1200x74mm. Come spaziatore tra vetri si usa filo di nylon da 250µm. Il gas utilizzato è C 2 H 2 F 4 90%,C 4 H 10 5%, SF 6 5%. 9

10 MRPC a doppio stack PCB con i pads di lettura Due metodologie di applicazione catodo/anodo: con nastro biadesivo. con colla epossidica conduttrice. 10

11 Elettronica di front-end Note Generali: il segnale viene indotto sulle pads poste oltre l anodo ed il catodo. Il segnale viene portato all amplificatore tramite cavi twisted. Le pads sono messe a massa sulla box esterna di metallo. Dal 2000 si è usato nella scheda di frontend il MAXIM 3760, preamplificatore di transresistenza di uso commerciale e a basso rumore ma non differenziale. Si è sviluppato un un amplificatore ASIC personalizzato, a basso consumo, differenziale, che attualmente è in fase di test. 11

12 Risultati del test beam Ottobre 2002 Efficienza e risoluzione temporale di tutti gli MRPC con gap di 250 µm m (17 strips) EFFICIENZA=99.6% RISOLUZIONE(t)=62.5ps 12

13 Risultati del test beam Ottobre 2002 Efficienza e risoluzione temporale di MRPC con gap di 250 µm e nastro biadesivo EFFICIENZA=99.5% RISOLUZIONE(t)=64.3ps 13

14 Risultati del test beam Ottobre 2002 Efficienza e risoluzione temporale di MRPC con gap di 250 µm m e colla conduttrice EFFICIENZA=99.9% RISOLUZIONE(t)=52.4ps 14

15 Risultati del test beam Ottobre 2002 Scan in tensione su una strip per verificarne l uniformità in diversi pad. Il plateau si raggiunge oltre i 12 KV: Efficienza ~ 99.9% Risoluzione temporale ~ 55 ps Ottima uniformita` di prestazione in efficienza e risoluzione temporale 15

16 Risultati del test beam Ottobre 2002 Scan orizzontale tra due pad adiacenti Perdita di efficienza: 0.7 % Probabilita` ` di doppio hit: 12 % 16

17 TEST al GIF (gamma irradiation facility) Risoluzione temporale [ps] Efficienza [%] Strip A effective voltage 11.4 kv Strip B effective voltage 11.4 kv 60 Strip A applied voltage 11.4 kv 55 Strip B applied voltage 11.4 kv Flusso equivalente di paticelle cariche [Hz/cm 2 ] ALICE Flusso equivalente di particelle cariche[hz/cm 2 ] Strip A effective voltage 11.4 kv Strip B effective voltage 11.4 kv Strip A applied voltage 11.4 kv Strip B applied voltage 11.4 kv Due strip a doppio stack sono state irradiate Scopo dei test: misurare variazioni di prestazione dei MRPC in funzione del rate. Simulare le condizioni di lavoro dell esperimento esperimento RISULTATO I MRPC hanno mostrato un eccellente prestazione in presenza di rate elevati mantenendo una ottima efficienza e risoluzione temporale. RATE PREVISTO PER ALICE: 50Hz/cm 2 17

18 Risultati del GIF Due strip sono state irradiate al GIF per un totale di 750 giorni equivalenti di run Pb-Pb a 50 Hz/cm 2 (17 anni di attivita` di ALICE) 18

19 Risultati del GIF Source on Nessun aumento di corrente Source off 19

20 Risultati del GIF Nessun effetto di invecchiamento dopo il primo periodo (misure eseguite al PS) Tensione di lavoro= 13 kv 20

21 CONCLUSIONI la scelta delle strip a doppio stack soddisfa le caratteristiche richieste per il TOF di ALICE. Risoluzione temporale 70 ps. Efficienza 99.6%. Test al GIF dimostrano che la strip può. sopportare rate ben oltre I 50Hz/cm 2. Non subisce sensibili alterazioni dopo forte irraggiamento. 21