Rivelatori a gas Sfruttano il fenomeno della ionizzazione e della raccolta (mediante un campo elettrico) delle cariche prodotte in un gas Possono essere usati in ● Current mode ● Pulse mode Ioni + Elettroni

La ionizzazione Interazione ---> Eccitazione e ionizzazione molecole Processi diretti e mediante delta rays Quante coppie di ioni/elettroni si formano?

Potenziale di prima ionizzazione gas: 10 - 25 e V Energia necessaria per creare una coppia di ioni: 25 – 40 eV (maggiore a causa di processi di eccitazione senza ionizzazione)

La ionizzazione

W-values Gas Ne Ar Xe P10 (Ar + 10% CH 4 ) W (eV/electron) 36.2

26.2

21.5

26 Dipendenti dal tipo di particella incidente e dall’energia

W-values: miscele di gas

Fluttuazioni e risoluzione Esempi (w=30 eV) Energia dep. # coppie √N √N/N 100 keV 3330 58 1.7% 1 MeV 33300 183 0.5 % Se Energia depositata = Energia totale: fluttuazioni nulle Fluttuazioni dell’ordine di σ= √N (distribuzione di Poisson) se l’energia depositata è < Energia totale Fattore di Fano F: σ= √F N (distribuzione non di Poisson)

Diffusione e ricombinazione/1 Le cariche, una volta prodotte, possono: ● Diffondere In assenza di campo elettrico, le cariche diffondono Libero cammino medio ~ 10 -8 – 10 -6 m Velocità termica proporzionale a √kT/m v_elettroni >> v_ioni T_ambiente: v_elettroni ~ 10 6 cm/s, v_ioni ~ 10 4 cm/s Distribuzione delle distanze percorse (D = coefficiente di diffusione, t=tempo, p=pressione, σ 0 =sezione d’urto interazione):

dN



dx N

0 4 

Dt



X

2

e

4

Dt

  6

Dt D

 3 2  1

p

 0 (

kT

) 3

m

Diffusione e ricombinazione/2 ● Ricombinarsi Processi possibili: Ricombinazione di ioni positivi con elettroni o con ioni negativi Ricombinazione di elettroni con ioni positivi o molecole elettronegative Per essere rivelati, elettroni e ioni positivi devono sopravvivere per un tempo almeno pari al tempo di raccolta sugli elettrodi (non devono ricombinarsi prima) Alcuni gas elettronegativi hanno tempi di attaccamento molto brevi!

Esempio: O 2 140 ns

Migrazione e mobilità/1 ● Migrare Sotto l’azione di un campo elettrico, le cariche si muovono con una velocità di drift sovrapposta al moto casuale dovuto all’agitazione termica.

Velocità di drift: V drift = μ E/p E=campo elettrico, p=pressione μ = mobilità in m 2 atm /V s Mobilità molto maggiori per elettroni che per gli ioni Ad esempio in Ar: μ e = 2 10 4 μ ioni = 1.5

Le velocità di drift sono corrispondentemente molto più elevate per gli elettroni Ad esempio in Ar: v e = 3 10 5 cm/s v ioni = 3 10 2 cm/s

Migrazione e mobilità/2

Migrazione e mobilità/3 Tempi di raccolta tipici per elettroni ~ microsecondi Tempi di raccolta tipici per ioni ~ millisecondi E = 0 E > 0 Electric field

Migrazione e mobilità/4 Le velocità di drift possono essere accuratamente misurate e calcolate per gas specifici, per valutare la risposta dettagliata di un rivelatore Per piccoli valori di E/p la velocità è proporzionale a questa quantità

Struttura base di un rivelatore a gas/1 Lo schema di principio di un rivelatore a gas include un recipiente a tenuta di gas, con 2 elettrodi (ad esempio: condensatore piano) e una d.d.p.

Un eventuale condensatore caricato staticamente si scaricherebbe tuttavia a causa della ionizzazione

Struttura base di un rivelatore a gas/2 Esempio: C=50 pF E_dep= 5 MeV ΔV = Q/C = e E_dep/(w C) = 0.5 mV R Segnale ΔV(t) + Per rispondere ad impulsi singoli il rivelatore (condensatore) deve essere polarizzato mediante una resistenza R di valore molto elevato (10 7 -10 8 Ω)

Formazione dell’impulso/1 Quando le cariche prodotte vengono raccolte, la tensione agli elettrodi diminuisce dal valore V 0 al valore V 0 -n e/C, per poi ritornare al valore V 0 con legge di carica esponenziale (costante di tempo RC) V 0 V 0 – ne/C t

Formazione dell’impulso/2 L’impulso di tensione è la somma di 2 componenti: quella dovuta agli elettroni e quella dovuta agli ioni positivi.

La forma dipende dalla costante di tempo RC ΔV -n e/C t RC= ∞

Formazione dell’impulso/3 La forma dipende dalla costante di tempo RC.

Se si adopera una costante di tempo intermedia tra il tempo di raccolta degli elettroni e quello degli ioni positivi, si avrà un impulso più veloce ma di ampiezza minore.

ΔV -½ n e/C -n e/C t T < RC< t +

Formazione dell’impulso/4 Tale impulso dipende inoltre dalla posizione della traccia nel volume sensibile V = (n e/C) x/d Si possono adoperare costanti di tempo RC < t In questo caso l’ampiezza dell’impulso è proporzionale a n e/C, ma è molto piccola d-x x

Formazione dell’impulso/5 In alternativa si utilizza una struttura detta griglia di Frisch G Volume sensibile V V G La griglia scherma l’anodo dalla induzione degli ioni positivi. L’anodo misura così un segnale legato solo agli elettroni, indipendente dalla posizione della traccia

Moltiplicazione

Moltiplicazione

Moltiplicazione

Moltiplicazione

Moltiplicazione

Regimi di lavoro dei rivelatori a gas A seconda del campo elettrico un rivelatore può lavorare in vari regimi, assumendo nomi differenti

Geometrie dei rivelatori a gas Sono possibili diverse configurazioni geometriche, a seconda delle dimensioni, del regime in cui i rivelatori devono operare e delle performance richieste.

Geometria “piana”, equivalente ad un condensatore a facce piane e parallele.

Campo elettrico uniforme E = V/d Usata tipicamente per lavorare in regime di camera a ionizzazione V d

La geometria cilindrica Spesso usata per i contatori Geiger In questa geometria, un filo sottile di raggio a costituisce un elettrodo, mentre l’altro è costituito dal cilindro esterno, di raggio b.

Il campo elettrico, molto elevato, è dato da: E(r) = V/ [r ln(b/a)] Esempio: a =0.01 cm b =1cm V=1000 V E(r=0.01 cm) ~ 21 kV/cm

Proprietà del contatore Geiger/1 In un contatore Geiger si producono delle scariche a valanga, con il risultato di un impulso molto elevato (dell’ordine dei V).

Il segnale è indipendente dalla ionizzazione primaria (tipo di particella ed energia). Fornisce quindi solo un conteggio delle particelle.

Proprietà del contatore Geiger/2 Il contatore Geiger lavora con un campo elettrico molto elevato, in una regione di “pianerottolo”.

Pendenza pianerottolo: 2-3%/V

Proprietà del contatore Geiger/3 Sensibilità di un Geiger alle varie particelle: Elettroni: Sensibile agli elettroni, ma le pareti offrono un assorbimento non trascurabile. Efficienza intrinseca 100%.

Spessore finestra ingresso 4 mg/cm 2 30 mg/cm 2 Coefficiente trasmissione 85 % 30 % Raggi γ Efficienza intrinseca nulla. In effetti 1-2 %, a causa della creazione di elettroni nelle pareti del Geiger.

Cosmici (muoni) Efficienza 100 %, nessun effetto schermante delle pareti

Configurazioni geometriche La geometria cilindrica non è la sola in grado di generare un elevato campo elettrico parallel plate strip hole groove

Rivelatori a gas moderni A parte i contatori Geiger, ancora adoperati in piccoli sistemi di rivelazione o per uso didattico, camere a ionizzazione e contatori proporzionali sono usate di rado o solo per specifiche applicazioni (ad esempio in campo medico) Esistono tuttavia molte versione “moderne” di rivelatori a gas, usate anche nei moderni esperimenti di fisica nucleare e astroparticellare.

Esempi: MWPC (MultiWire Proportional Chambers) Drift Chambers TPC (Time Projection Chambers) MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers) …

MWPC: Multiwire Proportional Chambers Inventata nel 1968. Si comporta come un insieme di contatori proporzionali indipendenti, sensibili alla posizione (risoluzione spaziale circa 1 mm). Usata ancora oggi nei sistemi di tracciamento. Lettura dati del tipo SI/NO, eventualmente con baricentro.

MWPC: Multiwire Proportional Chambers Geometrie tipiche con fili da 20 micron e spaziatura di 1 mm Risoluzione spaziale 

x



d

12 for d = 1 mm circa 0.3 mm G. Charpak, F. Sauli and J.C. Santiard

Drift Chambers Versione delle MWPC con lettura del tempo di drift in ogni filo. Consente risoluzioni migliori, ma richiede un’elettronica più complessa.

TPC: Time Projection Chambers Rivelatore 3D capace di ricostruire la traccia e di fornire anche il segnale dE/dx per la identificazione.

E

La TPC dell’esperimento ALICE@LHC, la più grande mai costruita finora

E E E

La coordinata z (assiale) viene misurata dal tempo di drift, le coordinate (x,y) dalla particolare pad che raccoglie il segnale.

Risoluzione tipiche: 0.5 mm