Lezione 14 Camere a deriva

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Lezione 14 Camere a deriva

• Possono essere considerate come derivate delle
  camere proporzionali.
• In questo caso ricavo la coordinata misurando un
  tempo.

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Lezione 14 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
  E700-800V/cm) 50 mm/ms.

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Lezione 14 Camere a deriva

• Attenzioneprecisione limitata dalla diffusione
  ed efficienza ridotta se in presenza di elementi
  elettronegativi.

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Lezione 14 Camere a deriva

• Diffusione
• In presenza di campo elettrico ? limite
  intrinseco delle camere a deriva.
• 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
• In presenza di campo elettrico, aumentando il
  campo diminuisce la diffusione ? usare gas
  freddi (CO2) 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 DTgtDL
• 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 vT/w ? la diffusione diminuisce.

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Lezione 14 Camere a deriva

• La risoluzione non è determinata dalla spaziatura
  dei fili ? meno fili, meno elettronica, meno
  strutture di sostegno rispetto alle MWPC.

(N. Filatova et al., NIM 143 (1977) 17)

• Resolution determined by
• diffusion,
• path fluctuations,
• electronics
• primary ionization
• statistics

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Lezione 14 Camere a deriva

Dalla figura si vede chiaramente come la
risoluzione dipende dalla ionizzazione primaria
(distribuita alla Poisson) Al limite la
risoluzione è migliore per tracce lontane.
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Lezione 14 Camere a deriva

• Camere a deriva piane.
• 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 ? vD non è costante.
Un po meglio della configurazione di sopra
E costante ssobt
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Lezione 14 Camere a deriva

• Ambiguità destra sinistra la misura di tempo non
  può discriminare fra destra e sinistra ?
  staggering

t1t2 tempo per percorrere ½ cella Se la cella è
di 5 cm ( 50 mm/ms ) ? t1t2 1 ms.
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Lezione 14 Camere a deriva

• Camere a deriva cilindriche.
• 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)
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Lezione 14 Camere a deriva

• Camere a deriva cilindriche.

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Lezione 14 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 dellinterazione
  negli esperimenti ai collider (ad LHC pixel al
  silicio).

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Lezione 14 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
  1015 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

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Lezione 14 Camere a deriva
JVD di UA2
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Lezione 14 Camere a deriva
lunghezza 1000.0 mm raggio interno 34.0
mm raggio esterno 128.5 mm raggio interno
sensibile 40.0 mm raggio esterno
sensibile 123.8 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) 0.001 X0 spessore
parete esterna (vetronite) 0.002 X0 spessore tubo
alluminio 0.010 X0 spessore totale JVD (a
90o) 0.015 X0 mistura di gas argon(60)
etano(40) campo elettrico nella regione di
deriva -1.05 kV/cm pressione 1 Atm velocità di
deriva 51.8?0.3 mm/ns

• JVD di UA2.

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Lezione 14 Camere a deriva

• JVD di UA2
• 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 lisolamento
  elettrico fra settori vicini.
• I fili di sense sono sfalsati di 200 mm per
  risolvere lambiguità destra-sinistra.
• La coordinata longitudinale lungo lasse 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 ? -1400
  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 ?
  3X104 e la velocità di deriva era (51.8?0.3)
  mm/ns, costante su tutta la regione di drift.

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Lezione 14 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 dallelettronica 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 s/ltQgt?40 . Da notarsi che in
  UA2 non cera alcun campo magnetico (nella zona
  di operazione della JVD) e conseguentemente non
  era possibile usare la JVD per identificare le
  particelle essendo ignoto limpulso delle
  medesime.
• L efficienza della camera era ? 99

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Lezione 14 Camere a deriva

• Camere a jet.

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Lezione 14 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 altv gt(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 (gtionizzazione), ma attenzione, la
  pressione non deve essere troppo elevata,
  altrimenti interviene leffetto 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.

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Lezione 14 TPC

• TPC (time projection chamber).
• 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.

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Lezione 14 TPC

• TPC
• 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 lasse 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.

Traiettoria della particella
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Lezione 14 TPC

• La TPC permette di determinare un punto nello
  spazio ( x,y,z ovvero r,f,z ).
• Il segnale analogico sullanodo 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
• Per misurare bene la coordinata z bisogna
  conoscere perfettamente la vD ? calibrazione
  tramite laser e correzioni per la pressione e
  temperatura.
• La deriva avviene su lunghe distanze ? gas molto
  puro e sempre monitorato.
• Esempi
• PEP-4 TPC p8.5 atmosfere, Ar80, CH420
  Vcentr-55kV B1.325T lunga 2m e con raggio 1m.
• Aleph TPC lunga 4.4 m e diametro 3.6 m,
  risoluzione srf173mm, sz740 mm
• per leptoni isolati.

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Lezione 14 TPC

Space charge problem from positive ions,
drifting back to medial membrane ? gating
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Lezione 14 TPC

• Problemi
• Molti ioni positivi creati nella zona di
  moltiplicazione vicino agli anodi della MWPC che
  possono andare fino allelettrodo centrale ?
  carica spaziale che deteriora il campo ? si
  introduce una griglia (gate)

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 lelettrodo centrale.
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Lezione 14 TPC

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Lezione 14 TPC
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Lezione 14 TPC
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Lezione 14 TPC

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Lezione 14 TPC
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Lezione 14 TPC

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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

• Altre camere derivate dalle camere a deriva sono
  
• Microstrip Gas Chambers
• Micro Gap Chambers
• Micro gap wire chambers
• Micromegas
• GEM

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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

• Più velocità e maggiore precisione? ? strutture
  più piccole
• Microstrip gas chambers

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Lezione 14 Micro Apparati a Gas
Field geometry

Fast ion evacuation ? high rate capability ? 106
/(mm2?s)
Gas Ar-DME, Ne-DME (12), Lorentz angle 14º at
4T. Passivation non-conductive protection of
cathode edges Resolution ? 30..40 mm Aging
Seems to be under control. 10 years
LHC operation ? 100 mC/cm
CMS
Gain ??104 Il guadagno è limitato a valori
relativamente bassi perché gli ioni, creati
durante il processo di formazione della valanga
ed accumulati sullisolante, modificano
localmente il campo elettrico e causano una
caduta del guadagno nella zona irraggiata
dellapparato.
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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

2-6 mm
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Lezione 14 Camere a deriva

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Lezione 14 Camere a deriva

Variazione della Micro-strip gas chamber ha
guadagni più alti.
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Lezione 14 Camere a deriva

Consiste in una Parallel Plate Avalanche Chamber
(lez. 13 slide 31) miniaturizzata. Quasi una
micro-TPC.
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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

• GEM (gas electron multiplier)

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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

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 dallaltro
lato. Guadagno 103.
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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

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Lezione 14 Micro Apparati a Gas

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Lezione 14 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 sullanodo 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 dellampiezza
  relativa del segnale deposito di carica
  sullanodo.
• Invecchiamento R /(C/cm) DA/ARQ/l.

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Lezione 14 Invecchiamento di Apparati a Gas

• Linvecchiamento relativo R può variare da valori
  trascurabili lt10(Ar/C2H6 50/50) a valori
  catastrofici gt106 (CH4 0.1 TMAE).
• Rlt100 è considerato un invecchiamento moderato.
• Linvecchiamento 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 allinvecchiamento piccole
  misture di
• 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

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Lezione 14 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.

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Lezione 14 Simulazione delle camere

• Alcuni esempi

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Lezione 14 Simulazione delle camere