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Gas Electron M

ultiplie

r

Pavia, 28 giugno 2006

Seminario di Silvia Franchino

Principi di funzionamento ed alcune applicazioni dei rivelatori

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Sommario:

1) Principio di funzionamento dei rivelatori GEM e multi-GEM

4) Studio di alcuni fattori che influenzano le prestazioni dei rivelatori a multi-GEM

3) Possibilità di impiego

2) Caratteristiche dei rivelatori a GEM

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Materiale isolante rivestito da entrambe le parti da un sottile foglio metallico e "bucato" (attraverso tecniche litografiche) con una matrice regolare ad alta densità di fori (50-100/mm2)

Geometria tipica: supporto isolante: 50 µm Kapton, foglio conduttore: 5 µm Cu, diametro fori: 70 µm, distanza 140 µm

70 µm

140 µm

Gas Electron Multiplier - GEM

4

70 µm

55 µm

5 µm

50 µm

i fori visti da vicino

Geometria standard Doppio-Conica

rivestimento di rame

supporto di kapton

sezione trasversale

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zona di DERIVA

zona di INDUZIONE

-VD

-VTOP

-VBOT

VGEM

GEM

catodo

elettrodo di lettura

--GEM all'interno di un rivelatore a geometria piana, come elemento di amplificazione;

simulazione di moltiplicazione a valanga

linee di campo elettrico

--Gradiente di potenziale ai capi del GEM;

-- le linee del campo elettrico sono concentrate all'interno dei fori e viene raggiunto limite per la moltiplicazione a valanga

-- gli elettroni rilasciati nella zona di deriva da una particella ionizzante derivano all'interno dei fori del GEM, subiscono il processo di moltiplicazione a valanga e vengono trasferiti sull'elettrodo di lettura;

--Sono ottenuti guadagni di 104 in regime proporzionale e con le comuni miscele di gas.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO dei rivelatori a gas con amplificatori GEM

3mm

1-2 mm

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Ideati da Sauli nel 1996

alta frequenza di conteggio (>105mm-2s-1)

eccellente risoluzione spaziale ~60 μm rms, 1mm 2D

buona capacità di imaging (possibilità di segmentazione 2D dell'elettrodo di lettura)

possibilità di operazione in campo magnetico date le piccole dimensioni della zona di deriva

area sensibile molto elevata

geometria flessibile

CARATTERISTICHE:

basso costo

riduzione della probabilità di scariche mettendo in cascata più elementi (multi-GEM)

indipendenza tra zona di moltiplicazione e zona di lettura del segnale

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SEGNALE ELETTRICO VELOCE

il segnale è dovuto solamente al contributo degli elettroni;NO segnale ioni --> risoluzione temporale molto buona possibilità di impiego per alte frequenze di conteggio

S1 S2 S3 S4

Induction gap

e-

e-

I+

Ar-CO2 70-30

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I GEM presentano stabilità di guadagno anche per alte frequenze di conteggio

Le camere proporzionali a multifili (MWPC) hanno il problema della carica spaziale causata dagli ioni

Confronto della stabilità di guadagno di GEM e MWPC

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multi GEM

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Geometria di rivelatori a multi GEM:

GEM Triplo

GEM 1

GEM 2

ED

ET1

EI

DRIFT

READOUT

DRIFT

TRANSFER 1

INDUCTION

GEM 2

ET2 TRANSFER 2

elettrodo di lettura

GEM 1

GEM 2

GEM 3

catodo

GEM 1

GEM 2

ED

ET

EI

DRIFT

READOUT

DRIFT

TRANSFER

INDUCTION

GEM Doppio

elettrodo di lettura

GEM 1

GEM 2

catodo

La tensione è suddivisa tra gli elettrodi per mezzo di un partitore resistivo.

cascata di due o più GEM all'interno dello stesso gas

3mm

1-2 mm

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ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM:

1) guadagni più elevati (107) con tensioni più basse su ogni elemento

2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle

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S. Bachmann et al, Nucl. Instr. Meth. A479 (2002) 294

Probabilità di scarica << TGEM rispetto a GEM singolo

dipendenza del limite di scarica dalla tensione, non dal guadagno

il guadagno massimo aumenta di circa un ordine di grandezza per ogni elemento di moltiplicazione che si aggiunge

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ULTERIORI VANTAGGI RISPETTO AL SINGOLO GEM:

1) guadagni più elevati (107) con tensioni più basse

3) riduzione del ritorno verso il catodo di ioni e fotoni

4) alti guadagni (105) in gas nobili puri anche ad alta pressione

2) bassa probabilità di scariche anche con intensi flussi di particelle

5) possibilità di rivelazione di fotone singolo con ottima risoluzione temporale (ns)

riduzione aging

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Possibilità di impiego:

1) tracciatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b, COMPASS, LHC-b, TOTEM)

2) rivelatori di end-cup per camere a proiezione temporale (TPC)

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TOTEM

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TPC

vantaggio rispetto alla normale TPC: gli ioni sono catturati sul GEM --> riduzione dei tempi morti

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Possibilità di impiego:

1) rivelatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b, COMPASS, LHC-b, TOTEM)

3) rivelatori "non aging" operanti con miscele di gas nobile puro

2) rivelatori di end-cap per camere a proiezione temporale (TPC)

4) rivelatori criogenici per ricerca di neutrini e materia oscura

5) rivelatori di neutroni

6) imaging per scopi medici

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IMAGING 2-D:

possibilità di impiego di rivelatori a multi-GEM nel campo della medicina

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Lettura del segnale

catodo

-- segmentando l'anodo con strip in direzioni diverse --> letura 2D

-- gli elettrodi di lettura sono a potenziale di terra

-- possibilità di una rapida lettura del segnale indotto sull'elettrodo inferiore del GEM per eventuale trigger

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HEXABOARD

U

V

W

Pad esagonali (diametro 500 μm) interconnesse lungo tre direzioni a 60°

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Risoluzione spaziale di due eventi simultanei: circa 1mm

Ricostruzione di eventi simultanei

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IMAGING 2-D

500 µm

Figura di assorbimeto di raggi X da 8KeV attraverso una maschera forata, ricostruita attraverso le due proiezioni X, Y di un piano d lettura cartesiano

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Radiografia di un pipistrello effettuata con raggi X da 8 KeV

32 mm

dimensioni pixel:

50x50 μm2

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Possibilità di impiego:

1) rivelatori ad alto rate per esperimenti di alta energia ( HERA-b COMPASS, LHC-b, TOTEM)

7) fotomoltiplicatori a gas con amplificatore GEM

3) rivelatori "non aging" operanti con miscele di gas nobile puro

2) rivelatori di end-cup per camere a proiezione temporale (TPC)

4) rivelatori criogenici per ricerca di neutrini e materia oscura

8) RICH

6) imaging per medicina

5) rivelatori di neutroni

..........

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FOTOMOLTIPLICATORE A MULTI-GEM

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impiego nei RICH

possibile utilizzo in campo magnetico

possibilità di rivelazione di singoli fotoelettroni

sensibile alla posizione

molto rapido

insensibile alla direzione di incidenza del fotone

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Processi fisici nel fotomoltiplicatore a GEM:riduzione di QE rispetto ai PM a vuoto

se i fotoni e gli ioni ritornano sul fotocatodo provocano impulsi ritardati, aging

carica dell'isolante ed instabilità di guadagno (aumenta E,G)

limite alla riduzione della distanza tra i fori

pregio dei multi-GEM: cattura di ioni sull'elettrodo

impulsi ritardati, scariche. Limitazione al Gmax

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FOTOCATODO SEMITRASPARENTEFOTOCATODO RIFLETTENTE

Per evitare il ritorno di fotoni sul fotocatodo si sta studiando una alternativa: il fotomoltiplicatore a fotocatodo riflettente

Riduce effetti dovuti al ritorno di fotoni sul catodo

Più pratico da fabbricare

Area attiva ridotta dalla presenza dei fori (80%)

Effetto dannoso degli ioni sul fotocatodoMaggiore QE rispetto al fotocatodo semitrasparente

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Trasferimento degli elettroninecessario valutare con cura questi aspetti soprattutto per la rivelazione di singoli fotoelettroni

efficienza di trasferimento: rapporto tra numero di elettroni focalizzati all'interno dei fori del GEM e quelli raccolti sull'elettrodo superiore

1) geometria dei fori del GEM (diametro, spaziatura)

3) configurazione del campo elettrico da entrambi i lati del foglio GEM

2) processi di trasporto degli elettroni nel gas (diffusione trasversale: funzione di P, tipo di gas, intensità campo elettrico nel volume di deriva)

efficienza di collezione: rapporto tra numero di elettroni che vengono raccolti sull'elettrodo di lettura e quelli catturati dall'elettrodo inferiore del GEM

PERDITADi ELETTRONI

Iin

Iout

Iout Iin

M TGuadagno Effettivo =

Iout

/

Iin

Guadagno reale: non considerando le perdite di elettroni sull'elettrodo inferiore

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l'efficienza di estrazione decresce ber bassi valori del campo di trasporto a causa della peggiore capacità di estrazione degli elettroni dal lato inferiore del GEM

L'efficienza di trasferimento decresce per alti valori del campo di deriva a causa della defocalizzazione delle linee di forza del campo elettrico fuori dai fori

Studi di efficienza al variare del campo elettrico:

Configurazione ottimale: bassi campi elettrici nella zona di deriva e alti campi all'uscita del GEM

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Linee di campo simulate con GARFIELD

S. Bachmann et al, Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier Nucl. Instr. and Meth. A438(1999)376

basso campo di deriva

alto campo di trasporto

Con questa configurazione di campi elettrici tutte le linee di campo dal volume di deriva entrano nei fori del GEM --> efficienza di trasferimento ~ 100%

qui gli elettroni sono persi

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Operazione in campo magnetico

S. Bachmann et al, Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier Nucl. Instr. and Meth. A438(1999)376

B perpendicolare alla direzione di deriva

con opportuna scelta dei campo elettrici è ancora possibile ottenere una buona efficienza di trasferimento

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Valuazione di G al variare del diametro dei fori

Il guadagno aumenta notevolmente al diminuire del diamtro dei fori

effetti di saturazione: raccolta di elettoni sull'elettrodo inferiore del GEM quando diametro < spessore foglio di GEM

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Comportamento diverso tra gas nobili pesanti e leggeri: V cresce molto lentamente aumentando P

He, Ne raggiungono guadagni elevati (105) pechè le loro tensioni di lavoro sono << di quelle dei gas pesanti

P< 3atm la tensione massima cresce con la pressione --> dipendenza E/P

Pressione ideale per ogni gas nobile per cui il rivelatore multiGEM raggiunge un Gmax

P>3atm: Vmax cessa di aumentare per i gas nobili pesanti. Diversità rispetto ai gas molecolari

operazione di multigem in gas nobili ad alta pressione

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Studio del meccanismo di moltiplicazione a valanga in gas nobili ad alta pressione in un rivelatore 3-GEM

Confronto tra i coeficienti di Townsend misurati ad alta pressione (αH) e quelli disponibili in letteratura (αL), misurati a bassa pressione

2) come valore di campo elettrico si considera quello simulato al centro del foro EGEM=63KV/cm per un ΔVGEM=500V

Hp: 1) la moltiplicazione procede in campo uniforme all'interno del foro del GEM e per una ampiezza pari alla distanza tra i due elettrodi ai capi del foglio di GEM (d=50μm);

G: guadagno totale misurato per un rivelatore a 3GEM;

M: guadagno di ogni singolo GEM, ricavato dalla formula misurando G

ε: efficienza di trsferimento della carica da un GEM al successivo (1/3)

Parametro da confrontare con αL/P

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forte violazione dello scaling E/P per He, Ne

in Ar buon accordo tra alta e bassa pressione, lo stesso per Kr, Xe

coeficienti di ionizzazione sono >> ad alta Pressione.

nuovo meccanismo per la moltiplicazione a valanga per i gas nobili leggeri ad alta pressione

Risultati sperimentaliad alta P i coeficienti di ionizzazione ridotti non dipendono solo dal campo elettrico ridotto (come per la ionizzazione da impatto), ma anche dalla pressione

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e + AA+ + 2e ionizzazione da impatto

A*+ e eccitazione

A + hvdiseccitazione

A* + A --> A2+ + e

ionizzazione associativa

ki

ke

kr

1 / τ

A: atomo di gas neutro

A+: ione atomico

A2+ : ione

molecolare

k, 1/ τ : frequenza dei vari processi

Interazione di e- con atomi del gas

Produce un elettrone nello stato finale e provoca il progredire della valanga. Possibile responsabile della violazione dello scaling E/P ad alta pressione

Si ricava un'ulteriore dipendenza dalla pressione come riscontrato dai dati sperimentali; >P --> > Kr perchè aumenta la probabilità che l'atomo eccitato incontri un altro atomo nel tempo di vita medio di diseccitazione.

>P --> > numero di e- secondari ed incremento di αH/P

ipotesi: a pressioni basse 1/τ >> Kr.

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Considerando nella costante C il contributo della ionizzazione associativa, si nota il buon accordo tra i dati misurati ad alta pressione e le curve relative a bassa pressione

ionizzazione associativa: (He, Ne) dominante ad alta pressione e trascurabile per P< 0.2 atm (regione in cui sono stati misurati i coeficienti presenti in

letteratura) (Patm: contributo 2/3 per He, 1/2 per Ne)

per gas nobili pesanti è trascurabile ad ogni P

Risultati sperimentali corretti con modello di ionizzazione associativa

ionizzazione associativa processo rapido (ns). Rivelatori a valanga con gas nobili leggeri ad alta P NON sono sensibili alle impurezze (bassa concentrazione)

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F=aG-b

Ion feedback1) meccanismo di scariche in gas nobili

2) prevenzione da distorsioni di campo

3) riduzione di emissione di elettroni indotta da ioni sul fotocatodo di GPM

I-out

Indipendenza da tipo di gas e pressione

non influnzato da diffusione di ioni ed elettroni

A partire da un guadagno critico aumenta la soppressione

Effetto dell'estensione della valanga all'esterno del foro del GEM

IONI:

IdriftIon Feedback =

I-out

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L'estensione della valanga all'esterno dei fori costituisce una limitazione nella loro distanza minima (d<0.3-0.6 mm)

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manufattura

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Ionizzazione associativaA: atomo di gas neutro

A+: ione atomico

A2+ : ione molecolare

meccanismo solitamente responsabile della moltiplicazione a valanga: aumento di e nello stato finalemeccanismo che provoca disturbo nei rivelatori a gas e che causa la perdita del segnale e la nascita di scariche provocate dai fotoni emessi nella diseccitazione

Ionizzazione associativa: contribuisce al progredire della valanga rilasciando e

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COMPASS

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Rivelazione di neutroni

n + 6Li --> α + 3H

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legge di scala E/P per i coeficienti di ionizzazione misurati nei gas nobili in un rivelatore a gas a geometria piana

formula di......

perchè alta pressione?densità gas ~1 / T --> alta P (T ambiente) = P atm (T criogenica)

rivelazione di neutroni con 3He, raggi X, neutrini, materia oscura