Tracciatore

Il tracciatore `e uno spettrometro magnetico posto subito dopo il bersaglio, composto da due magneti permanenti dipolari e da tre rivelatori al silicio, che serve a ricostruire le traiettorie dei frammenti, a misurare la loro quantit`a di moto e la loro perdita di energia. I due magneti sono posti fra i tre rivelatori e sono fatti di Sm-Co (Samario-Cobalto); sono a geometria cilindrica cava di Halback, in modo da produrre un campo magnetico uniforme lungo l’asse del fascio (figura 6.4).

Il campo magnetico curva le traiettorie dei frammenti in base alla loro carica e quantit`a di moto ed ha un’intensit`a massima di 1 T. La quantit`a di moto `e ricavata dalla curvatura che questi subiscono.

Figura 6.4: A sinistra: Illustrazione schematica del doppio magnete di Halback. A destra: Campo magnetico lungo l’asse del fascio [1].

Il primo rivelatore al silicio, il Vertex Tracker (VT), `e posto prima dei due magneti permanenti e ha la funzione di identificare il punto in cui vengono prodotti i frammenti (vertice) e di ricostruire la parte iniziale della loro traiettoria. Prima del VT ci sono delle slitte rimovibili che possono alloggiare pi`u di cinque bersagli, come si vede nella figura 6.5 a sinistra. Il VT `e composto da quattro strati di sensori al silicio di tipo MIMOSA 28 (M28) a tecnologia CMOS MAPS (Monolitic Active Pixel Sensor); questa configurazione permette di avere un angolo di accettanza di ± 40°. Lo schema di montaggio del VT `e visibile nella figura 6.5 a destra.

Ogni chip M28 contiene una matrice di 928 × 960 pixel quadrati di lato 20.7 µm, ha una sezione frontale di 20.22 × 22.71 mm2 ed `e spesso solo 50 µm al fine di minimizzare lo scattering di Coulomb multiplo.

Figura 6.5: A sinistra: Immagine frontale del Vertex Tracker. A destra: Schema di posizionamento dei rivelatori nel Vertex Tracker [1].

Il secondo rivelatore al silicio, l’Inner Tracker (IT), si trova fra il primo e il secondo magnete permanente e copre un’area di circa 8 × 8 cm2_{. E’ composto da due strati di}

rivelatori al silicio, ciascuno dei quali contiene 16 sensori M28 del tipo di quelli del VT; la disposizione dei sensori `e schematizzata nella figura 6.6 a sinistra. Ogni M28 copre una superficie di 2 × 2 cm2_{. Nella figura 6.6 a destra si vede un’immagine di un chip}

M28.

L’IT ha lo scopo di misurare la posizione di passaggio dei frammenti nel piano ortogonale al fascio e la direzione delle loro traiettorie nella zona fra i magneti.

Il terzo rivelatore, il Micro Strip Detector (MSD) `e posizionato subito dopo il secondo magnete permanente ed `e composto da tre doppi strati di silicio separati l’uno dall’altro da uno spazio di 2 cm. Il MSD copre un’area di 9×9 cm2_{ed ha un angolo di accettanza di}

± 10; ha la funzione di misurare, insiema al VT e all’IT, la quantit`a di moto dei frammenti e di ricostruire le loro traiettorie; fornisce una misura della dE/dx degli ioni pesanti che hanno energie nell’intervallo compreso tra 200 e 700 MeV/u ed ha una risoluzione spaziale sul piano ortogonale al fascio < 35 µm.

Gli strati di silicio hanno uno spessore di 70 µm ciascuno e sono incollati a due a due con del nastro biadesivo (Kapton), spesso 30 µm, per uno spessore totale equivalente di silicio di ∼ 155 µm. Il doppio strato di silicio permette una misura pi`u precisa della dE/dx e garantisce una maggior rigidezza meccanica.

6.1.3

∆E e rivelatore TOF

I frammenti creati nell’interazione tra il fascio e il bersaglio vengono fermati dal calorime- tro, posto ad un metro dal bersaglio; davanti al calorimetro c’`e il rivelatore per la misura della dE/dx (∆E) e il TOF, fatto da due piani ortogonali di 20 barre di scintillatore plastico veloce EJ-200 della Eljen Technology, di spessore 3 mm e di area 2 × 40 cm2, per una sezione complessiva del rivelatore di 40 × 40 cm2_.

La disposizione dei due strati di barre ortogonali consente di identificare la posizione di interazione dei frammenti sul piano normale all’asse del fascio, con una risoluzione data dalla larghezza delle barre, cio`e di 2 cm.

La granularit`a di 2 cm del rivelatore `e calcolata in modo che la probabilit`a di avere due frammenti che incidono nella stessa barra sia < 1% e coincide con la dimensione dei pixel del calorimetro di 2 × 2 cm2 _{(data dalla sezione delle barre longitudinali del calorimetro).}

Lo spessore di 3 mm di ciascuna barra rappresenta un buon compromesso fra la quan- tit`a di luce ottenuta (pi`u luce significa migliore risoluzione su ∆E e TOF) e la ri- frammentazione dentro lo spessore della plastica (pi`u ri-frammentazione significa una peggiore risoluzione su ∆E).

Le barre di scintillatore sono otticamente collegate (colla ottica Saint-Gobain, BC-630) ad entrambe le estremit`a a quattro fotomoltiplicatori al silicio (ASD-NUV SiPM) collegati in serie per massimizzare la raccolta di luce, per un totale di otto SiPM per ogni barra. I SiPM utilizzati hanno un’area attiva di 3 × 3 mm2, un’efficienza del 43 % a 420 nm, un conteggio di fotoni in modalit`a dark inferiore a 100 cps/mm2 _{e una risoluzione temporale}

per un fotone singolo di 180 ps FWHM.

Una immagine di un prototipo di una di queste barre si pu`o vedere nella figura 6.7; i quattro lati delle barra sono avvolti in un foglio di alluminio riflettente per guidare la luce nei fotomoltiplicatori e poi ricoperti con del nastro adesivo nero per proteggerla dalla luce. Le estremit`a a contatto con i fotomoltiplicatori sono state lucidate prima dell’incollaggio con i SiPM.

Figura 6.7: Prototipo di rivelatore per la dE/dx-TOF [1].

Da alcuni test su fascio fatti recentemente al PTC (Proton Therapy Centre) dell’Ospedale di Trento e al CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) di Pavia, su un prototipo di rivelatore con fasci di protoni e di carbonio a varie energie, risulta che la risoluzione in energia varia dal 5 al 10 %, mentre la risoluzione temporale `e di 50 ps per il carbonio e di circa 100 ps per i protoni. Per quanto riguarda la risoluzione temporale, il minor numero di fotoni misurati nel caso dei protoni determina una maggiore sensibilit`a al rumore che nel caso del C e quindi ad una risoluzione complessivamente peggiore.