I rivelatori a Resistive Plate Chambers

(1)

I rivelatori a Resistive Plate Chambers

G. Pugliese

per la Collaborazione CMS di Bari

(2)

Barrel Barrel

Endcap Endcap

Barrel: Bari, Napoli, Pavia, Pechino (Cina), Sofia (Bulgaria) Barrel: Bari, Napoli, Pavia, Pechino (Cina), Sofia (Bulgaria)

Endcap: Bari, CERN, Pechino (Cina), Seoul (Corea), Islamabad (Pakistan) Endcap: Bari, CERN, Pechino (Cina), Seoul (Corea), Islamabad (Pakistan)

Il gruppo di Bari leader per

l’intero progetto.

Ha curato il trasferimento di tecnologia a Cina, Corea e Pakistan

Il gruppo di Bari leader per

l’intero progetto.

Ha curato il trasferimento di tecnologia a Cina, Corea e Pakistan

La collaborazione RPC-CMS

(3)

Rivelatori a gas: principio di funzionamento

Il numero (n

_T

) di coppie ione-elettrone creato è proporzionale all’energia depositata nel dispositivo (E): (Wi è l’energia media necessaria per produrre una coppia) Il numero (n

_T

) di coppie ione-elettrone creato è proporzionale all’energia depositata nel

dispositivo (E): (Wi è l’energia media necessaria per produrre una coppia)

i

T

W

n   E

Sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di una particella carica in una gas.

Tipicamente il numero di coppie-ioni/cm nei gas comunemente utilizzati varia da 10 (He) a 100 (Ar). Tipicamente il numero di coppie-ioni/cm nei gas comunemente utilizzati varia da

10 (He) a 100 (Ar).

(4)

Processo di moltiplicazione Processo di moltiplicazione

^:^:

n n = n = n

_o

e

_o

e

^(x-xo)^(x-xo)

Fattore di moltiplicazione: M = n/n Fattore di moltiplicazione: M = n/n

₀₀

In presenza di un campo elettrico elevato (circa kV/cm) gli elettroni, accelerati verso l’anodo possono acquistare energia sufficiente per creare nuove coppie ione-elettrone (valanga)

All’aumentare dell’intensità di E il processo prosegue con un susseguirsi di valanghe fino alla formazione del così detto “streamer”. (M= 10 All’aumentare dell’intensità di E il processo prosegue con un susseguirsi di

⁸

)

valanghe fino alla formazione del così detto “streamer”. (M= 10

⁸

)

Processo di moltiplicazione

(5)

Elettrodi Piani e Resistivi

Durata della scarica

Il tempo di ricarica



_scar

<< 

_RPC

Durante la scarica gli elettrodi si comportano come isolanti e la scarica di estingue

g ms d

r

RPC

2 10

0

 



 



 

  



Area interessata dalla scarica circa 0.1 cm

²

Risoluzione temporale è limitata dal tempo di deriva degli e- nella zona di basso E Risoluzione temporale è limitata dal tempo di

deriva degli e- nella zona di basso E

Risoluzione temporale ≈ ns Risoluzione temporale ≈ ns

E uniforme

E α1/r



_scar

≈ ns

 

(6)

Il primo RPC

Prestazioni:

• Ottima risoluzione temporale (circa 2 ns)

• grandi superfici

• economici rispetto agli scintillatori

• rate di funzionamento < 50 Hz/cm

²

Prestazioni:

• Ottima risoluzione temporale (circa 2 ns)

• grandi superfici

• economici rispetto agli scintillatori

• rate di funzionamento < 50 Hz/cm

²

Utilizzati fino ad oggi con successo negli esperimenti:

E771, WA92, E831, L3 e …..

……..BABAR.

Utilizzati fino ad oggi con successo negli esperimenti:

E771, WA92, E831, L3 e …..

……..BABAR.

1982 il primo RPC:

• elettrodi di bachelite

• spessore gas 2 mm

• raccolta del segnale su strisce esterne

• streamer mode 1982 il primo RPC:

• elettrodi di bachelite

• spessore gas 2 mm

• raccolta del segnale su strisce esterne

• streamer mode

(7)

LHC 20 collisioni ogni 25 ns  circa 10

⁹

ev /s

Prestazioni degli RPC

Cluster size < 2 strisce

Noise < 10 Hz/cm

²

Efficienza  95%

Risoluzione temporale  2.5 ns Prestazioni degli RPC

Cluster size < 2 strisce

Noise < 10 Hz/cm

²

Efficienza  95%

Risoluzione temporale  2.5 ns Riduzione a 10

⁵

ev/s

(1° livello di trigger)

Gli RPC in CMS

Il rivelatori devono essere in grado di individuare il passaggio del  entro pochi ns Il rivelatori devono essere in grado di individuare il

passaggio del  entro pochi ns

(8)

Una altra sfida..

Attività di R & D del gruppo di Bari per definire i parametri costruttivi del rivelatore in modo da soddisfare le richieste dell’esperimento.

Fondo Fotoni Neutroni

10 Fondo Fotoni

⁴

 /cm

²

s Neutroni 4 10

⁴

n/cm

²

s

10

⁴

 /cm

²

s 4 10

⁴

n/cm

²

s

Rate capability ≈ 1 kHz/cm Rate capability ≈ 1 kHz/cm

²²

Dose totale accumulata in 10 anni ≈ 10 Gy

“Invecchimento” (aging) del rivelatore???

Dose totale accumulata in 10 anni ≈ 10 Gy

“Invecchimento” (aging) del rivelatore???

(9)

Resistività bachelite  più bassa Diminuisce il tempo di ricarica degli elettrodi:

Necessità di aumentare la rate capability del rivelatore da 10 Hz /cm

²

 1 kHz/cm

²

Necessità di aumentare la rate capability del rivelatore da 10 Hz /cm

²

 1 kHz/cm

²

 

 



 

 g

d

r

2

0







streamer  valanga

Riduzione del segnale da 100 pC  a 1 pC (diminuisce l’area interessata dalla scarica)

Elettronica di amplificazione

Alta rate

Test beam 1998 Test beam 1998

1 pC 100 pC

valanga

streamer

 cm

 10

¹¹

 _ ₁₀

¹¹

_ _cm

   _ ^ ₁₀ ¹⁰

¹⁰¹⁰

_ ^ _cm ^cm

(10)

Test di aging a Bari

La sorgente: 4.4 10

⁸

Bq di

⁶⁰

Co

Gli RPC

Il telescopio consente una ricostruzione del punto di intersezione dei

incidenti sugli RPC irraggiati con una risoluzione = 1 cm Il telescopio consente una ricostruzione del punto di intersezione dei

incidenti sugli RPC irraggiati con una risoluzione = 1 cm

Il primo test a lungo termine (Marzo ‘98-’99) Il primo test a lungo termine (Marzo ‘98-’99)

(11)

Un RPC è considerato efficiente se vi è una striscia accesa entro 3dal punto di intersezione della traccia ricostruita Un RPC è considerato efficiente se vi è una striscia accesa entro 3dal

punto di intersezione della traccia ricostruita

Non si sono osservate variazioni dell’efficienza in funzione del tempo di irraggiamento Non si sono osservate variazioni dell’efficienza in funzione del

tempo di irraggiamento

Risultati

Tutte le curve sono state corrette per variazioni di T e P Tutte le curve sono state corrette

per variazioni di T e P

P P T HV T

HV

^o

o



o

mbar 1020

21 



o

o o

P

C

T

(12)

Test di aging alla GIF (CERN)

Periodo Studio

Agosto.98 - Maggio 99 Sudi di elettrodi a bassa resistività

Febbraio 00 - Maggio 00 Studi di nuove miscela gassose Ottobre 00 - Maggio 02 Studio del trattamento superficiale

elettrodi Maggio 02 - Giugno 04

Studi di comportamento su lunghi periodi di prototipi in condizioni

CMS - like La sorgente: 740 GBq di

¹³⁷

Cs

 beam

Possibilità di variare il flusso dei  muovendo opportuni filtri (a 50 cm da 10 Possibilità di variare il flusso dei  muovendo

⁷

a 10

⁴

 /s cm

²

)

opportuni filtri (a 50 cm da 10

⁷

a 10

⁴

 /s cm

²

)

(13)

Risultati

12 CMS years

Tensione di lavoro al 90 % di efficienza in presenza di alto fondo  Tensione di lavoro al 90 % di efficienza in

presenza di alto fondo 

Le prestazioni dei rivelatori irraggiati si sono dimostrate soddisfacenti. Non si sono osservati effetti di danneggiamento del rivelatore. Le prestazioni dei rivelatori irraggiati si sono dimostrate soddisfacenti. Non si sono

osservati effetti di danneggiamento del rivelatore.

Risoluzione temporale di un RPC irraggiato in presenza di fondo  Risoluzione temporale di un RPC

irraggiato in presenza di fondo 

Curve di efficienza di un RPC in diversi condizioni di fondo Curve di efficienza di un RPC in diversi condizioni di fondo

(14)

Sensibilità degli RPC ai 

dove:

• N_e numero di elettroni sul gas (e=100% )

• N_gnumero di gamma sulla camera

La sensibilità dell’RPC è definita come: La sensibilità dell’RPC è definita come:

N



S N

^e



Cosa succede quando un fotone incide sull’RPC…

.. .interagisce prevalentemente nella bachelite

Cosa succede quando un fotone incide sull’RPC…

.. .interagisce prevalentemente nella bachelite

Simulazione degli RPC fatta con il codice di Montecarlo MCNP e GEANT Simulazione degli RPC fatta con il codice di

Montecarlo MCNP e GEANT

Punti sperimentali

(15)

L’idea della doppia Gap..

Front- end HV

HV

_

Gli RPC di CMS sono in doppia gap: due rivelatori sovrapposti uno sull’altro con gli elettrodi di lettura del segnale posti tra le due gap.

Vantaggio… Vantaggio…

Il segnale indotto è la somma dei segnali prodotti nelle due gap: il rivelatore è efficiente a valori di tensioni più basse.

Il segnale indotto è la somma dei segnali

prodotti nelle due gap: il rivelatore è

efficiente a valori di tensioni più basse.

(16)

CMS

• Superfice TOT 6000 m

²

• 160.000 canali di elettronica

• 900 camere

CMS

• Superfice TOT 6000 m

²

• 160.000 canali di elettronica

• 900 camere

Grandi apparati…

•Resistività bachelite:  = 2-5 x 10

¹⁰

cm

• gas 96.2% C

₂

H

₂

F

₄

+ 3.5% isoC

₄

H

₁₀

+ 0.3 % SF6

•campo elettrico  4.5 k V/mm

•Resistività bachelite:  = 2-5 x 10

¹⁰

cm

• gas 96.2% C

₂

H

₂

F

₄

+ 3.5% isoC

₄

H

₁₀

+ 0.3 % SF6

•campo elettrico  4.5 k V/mm

(17)

GT

HT

Bari

Pavia Sofia

CERN

Siti di test camere

RB1 in Pavia

RB2 & RB4 in Bari RB3 in Sofia (& Bari)

Siti di assemblaggio camere

120 RB1 at HT

240 RB2 and RB4 at GT 120 RB3 in Sofia (& Bari)

Double gap Single gap GT

Produzione Barrel-RPC

Iniziata nel 2002..

(18)

Test delle camere

 Possibilità di testare 10 camere contemporaneamente

 Trigger con scintillatori

 Pressione e Temperatura e umidità del gas sono monitorate.

 Possibilità di testare 10 camere contemporaneamente

 Trigger con scintillatori

 Pressione e Temperatura e umidità del gas sono monitorate.

IL 70 % del totale delle camere verranno testate a Bari!! IL 70 % del totale delle camere verranno testate a Bari!!

(19)

Sciami cosmici

Evento “buono”

”bad trigger”

Display eventi

Ricostruzione delle tracce dei  che attraversano l’intera torre in X (posizione delle

strisce accese) ed in Y ( posizione della camera nella torre).

(20)

Max efficienza (valore medio 97.3 %) Max efficienza (valore medio 97.3 %)

Risultati su 250 camere

Cluster size media 2.1 strisce Cluster size media 2.1 strisce

Noise Medio 1 Hz/cm

²

Noise Medio 1 Hz/cm

²

Corrente media 2 A Corrente media 2 A

HV= 9.6 kV

(21)

20 Maggio 2005:

1 ruota completata  64 camere istallate 20 Maggio 2005:

1 ruota completata  64 camere istallate

Stato installazione

…

Produzione camere

(22)

Futuro…

Cosmics challenge

Test di uno spicchio di CMS: per la prima volta tutti i rivelatori saranno fatti funzionare insieme.

Compito degli RPC:

1. produrre un “trigger di settore” e fornirlo agli altri rivelatori.

2. Studiare le prestazioni di un intero settore di RPC

Cosmics challenge

Test di uno spicchio di CMS: per la prima volta tutti i rivelatori saranno fatti funzionare insieme.

Compito degli RPC:

1. produrre un “trigger di settore” e fornirlo agli altri rivelatori.

2. Studiare le prestazioni di un intero settore di RPC

RB4 RB3

RB2

RB1

Settore

(23)

Futuro…

Commissioning

Test con i cosmici di tutti i settori uno alla volta

1. Integrazione del sistema

2. Verifica delle prestazioni dell’elettronica di trigger finale

3. Acquisizione Dati

4. Calibrazione e determinazione del corretto punto di lavoro

5. Monitoraggio dei parametri di funzionamento

Sviluppo di programmi di analisi e monitor

Commissioning

Test con i cosmici di tutti i settori uno alla volta

1. Integrazione del sistema

2. Verifica delle prestazioni dell’elettronica di trigger finale

3. Acquisizione Dati

4. Calibrazione e determinazione del corretto punto di lavoro

5. Monitoraggio dei parametri di funzionamento

Sviluppo di programmi di analisi e monitor

(24)

(25)

Spirali nuove spirali usate

Tubo di silicone

Particolare dei raccordi del gas e tubo di silicone e spirali di rame irraggiati

Cosa altro abbiamo imparato….

Negli RPC si produce HF…non si sapeva…

La qualità superficie è stata sensibilmente migliorata consentendo di ridurre il rumore della camera.

Resistività di lastre di bachelite irraggiate in funzione della dose integrata.

Elettronica di FE

(26)

Recovery of RPC9 with the moist mixture:

maximum efficiency vs time at Source Off and ABS1

ABS1=400 Hz/cm2 ABS 5= 120 Hz/cm2 ABS10= 50 Hz/cm2

Variazione della rate capability di un RPC a causa dell’aumento della resistività per alto flusso di gas “secco” usato.

Miscela

(27)

Double gaps

Cooling system test Gas flow test

Gas leakage Kapton-FEB connectivity test

HV test:

I vs HV < 5 micro A

steady for about 1 day I vs time

Siti di assemblaggio Siti di assemblaggio

accepted

CH Disassembled and DG replaced

Rejected

(28)

SG and DG quality control at GT SG and DG quality control at GT

1st test: reach an inside overpressure of 20 mbar to spot unglued spacers and test gas tightness.

2nd test: current vs HV .

The SG is rejected if I > 5 A @ 9.5 kV 3th test: current stability at 9.5 kV for 12 hours

End SG an d D G p rod uct ion in Dec 05 End SG an d D G p rod uct ion in Dec 05 Overview on the full production

# 2571 SG produced until 20 May 2005

overall rejection factor 19 %

# 872 DG produced until 20 May 2005

overall rejection factor 4.3 %

(29)

• large chambers (up to 3 m

²

) covering an overall surface of 4000 m

²

C e n tr a l re g io n

•La tecnologia di costruzione degli RPC è adeguata per assicurare una uniformità di risposta del rivelatore soddisfacente per un grande esperimento come CMS.

Uniformità

L’inefficienza è giustificata dalla sola presenza degli spaziatori (~1 cm2 )L’inefficienza è giustificata dalla sola presenza

degli spaziatori (~1 cm2 )

Due RPC doppia gap (2 e 3 mm) di grandi dimensioni (120x130 cm²) sono stati studiati sul fascio di muoni (200 Hz/cm²) H2 del CERN (Luglio-Settembre 1997).

Al plateau dell’efficienza le disuniformita’ dimnuiscono sensibilmenteAl plateau dell’efficienza le disuniformita’ dimnuiscono