I rivelatori a Resistive Plate Chambers
G. Pugliese
per la Collaborazione CMS di Bari
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
La collaborazione RPC-CMS
Barrel: Bari, Napoli, Pavia, Pechino (Cina), Sofia (Bulgaria)
Endcap: Bari, CERN, Pechino (Cina), Seoul (Corea), Islamabad (Pakistan)
Barrel
Il gruppo di Bari leader per
l’intero progetto.
Endcap
Ha curato il trasferimento
di tecnologia a Cina, Corea
e Pakistan
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Rivelatori a gas: principio di funzionamento
Sfruttano la ionizzazione prodotta dal
passaggio di una particella carica in una
gas.
Il numero (nT) di coppie ione-elettrone creato è proporzionale all’energia depositata nel
dispositivo (DE): (Wi è l’energia media necessaria per produrre una coppia)
nT 
DE
Wi
Tipicamente il numero di coppie-ioni/cm nei gas comunemente utilizzati varia da
10 (He) a 100 (Ar).
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Processo di moltiplicazione
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)
Processo di moltiplicazione: n = no ea(x-xo)
Fattore di moltiplicazione: M = n/n0
All’aumentare dell’intensità di E il processo prosegue con un susseguirsi di valanghe fino alla
formazione del così detto “streamer”. (M= 108 )
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Elettrodi Piani e Resistivi
scar ≈ ns
Durata della scarica

 RPC   0   r 
Il tempo di ricarica

2d 
  10ms
g 
Durante la scarica gli elettrodi si comportano
come isolanti e la scarica di estingue
E α1/r
scar << RPC
Area interessata dalla scarica
circa 0.1 cm2
m
m
E uniforme
Risoluzione temporale è limitata dal tempo di
deriva degli e- nella zona di basso E
Risoluzione temporale ≈ ns
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Il primo RPC
1982 il primo RPC:
• elettrodi di bachelite
• spessore gas 2 mm
• raccolta del segnale su strisce
esterne
• streamer mode
Prestazioni:
• Ottima risoluzione temporale (circa 2 ns)
• grandi superfici
• economici rispetto agli scintillatori
• rate di funzionamento < 50 Hz/cm2
Utilizzati fino ad oggi con successo
negli esperimenti:
E771, WA92, E831, L3 e …..
……..BABAR.
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Gli RPC in CMS
LHC
20 collisioni ogni 25 ns  circa 109ev /s
Riduzione a 10 5 ev/s
(1° livello di trigger)
Il rivelatori devono essere in grado di individuare il
passaggio del m entro pochi ns
Prestazioni degli RPC
Cluster size
< 2 strisce
Noise
< 10 Hz/cm2
Efficienza
 95%
Risoluzione temporale
 2.5 ns
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Una altra sfida..
Fondo
Fotoni
Neutroni
10 4  /cm2 s
4 10 4 n/cm2 s
Rate capability ≈ 1 kHz/cm2
Dose totale accumulata in 10 anni ≈ 10 Gy
“Invecchimento” (aging) del rivelatore???
Attività di R & D del gruppo di Bari per definire i parametri
costruttivi del rivelatore in modo da soddisfare le richieste
dell’esperimento.
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Alta rate
Necessità di aumentare la rate capability del rivelatore da 10 Hz /cm2  1 kHz/cm2
streamer  valanga
Riduzione del segnale da 100 pC 
a 1 pC
(diminuisce l’area interessata dalla scarica)
100 pC
1 pC
valanga
streamer
Elettronica di amplificazione
Resistività bachelite  più bassa
Diminuisce il tempo di ricarica degli
elettrodi:

2d 
   0   r  
g 

  1011 cm
  1010 cm
Test beam 1998
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Test di aging a Bari
Il primo test a lungo termine (Marzo ‘98-’99)
Gli RPC
La sorgente: 4.4 108 Bq di 60Co
Il telescopio consente una ricostruzione del punto di intersezione
dei m incidenti sugli RPC irraggiati con una risoluzione s = 1 cm
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Risultati
Un RPC è considerato efficiente se vi è una striscia accesa entro 3s dal
punto di intersezione della traccia ricostruita
Tutte le curve sono state corrette
per variazioni di T e P
T Po
HV  HVo
To P
To  21o C
Po  1020mbar
Non si sono osservate variazioni dell’efficienza in funzione del
tempo di irraggiamento
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Test di aging alla GIF (CERN)
La sorgente: 740 GBq di 137Cs
m beam
Possibilità di variare il flusso dei  muovendo
opportuni filtri (a 50 cm da 107 a 10 4  /s cm2)
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
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Risultati
Curve di efficienza di un RPC in diversi condizioni di fondo
Risoluzione temporale di un RPC
irraggiato in presenza di fondo 
12 CMS years
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.
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Sensibilità degli RPC ai 
Cosa succede quando un fotone incide sull’RPC…
.. .interagisce prevalentemente nella bachelite
Simulazione degli RPC fatta con il codice di
Montecarlo MCNP e GEANT
La sensibilità dell’RPC è definita come:
Ne
S
N
dove:
• Ne numero di elettroni sul gas (e=100% )
• Ng numero di gamma sulla camera
Punti sperimentali
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
L’idea della doppia Gap..
_
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.
HV
HV
Frontend
_
Vantaggio…
Il segnale indotto è la somma dei segnali
prodotti nelle due gap: il rivelatore è
efficiente a valori di tensioni più basse.
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Grandi apparati…
CMS
• Superfice TOT 6000 m2
• 160.000 canali di elettronica
• 900 camere
8000
7000
6000
4000
•Resistività bachelite:  = 2-5 x 1010 cm
3000
• gas 96.2% C2H2F4 + 3.5% isoC4H10+ 0.3 % SF6
1000
al
ic
e
a
op
er
L3
AR
P
H
lle
Be
r
BA
BA
S
M
C
G
O
S
0
AT
LA
•campo elettrico  4.5 k V/mm
2000
AR
m2
5000
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Produzione Barrel-RPC
Iniziata nel 2002..
CERN
Pavia
Sofia
GT
Single gap
Double gap
Bari
GT
HT
Siti di assemblaggio
camere
120 RB1 at HT
240 RB2 and RB4 at GT
120 RB3 in Sofia (& Bari)
Siti di test camere
RB1 in Pavia
RB2 & RB4 in Bari
RB3 in Sofia (& Bari)
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Test delle camere
IL 70 % del totale delle camere verranno testate a Bari!!
 Possibilità di testare 10 camere contemporaneamente
 Trigger con scintillatori
 Pressione e Temperatura e umidità del gas sono monitorate.
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Display eventi
Ricostruzione delle tracce dei m che attraversano l’intera torre in X (posizione delle
strisce accese) ed in Y ( posizione della camera nella torre).
Sciami cosmici
”bad trigger”
Evento “buono”
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Risultati su 250 camere
Max efficienza (valore medio 97.3 %)
Noise Medio 1 Hz/cm2
HV= 9.6 kV
Corrente media 2 mA
Cluster size media 2.1 strisce
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Stato installazione
20 Maggio 2005:
1 ruota completata 
64 camere istallate
Produzione camere
600
all produced
500
all planning
400
300
200
100
0
Dec- Feb- Apr- Jun- Aug- Oct- Dec- Feb- Apr- Jun- Aug- Oct- Dec- Feb- Apr- Jun- Aug- Oct- Dec- Feb02 03 03 03 03 03 03 04 04 04 04 04
04 05 05 05 05 05
05 06
…
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Futuro…
Settore
RB4
RB3
RB2
RB1
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
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
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
funzionamento
dei
parametri
Sviluppo di programmi di analisi e monitor
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
di
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Cosa altro abbiamo imparato….
Tubo di silicone
Particolare dei raccordi del gas e tubo di silicone
e spirali di rame irraggiati
spirali usate
Spirali nuove
Negli RPC si produce HF…non si sapeva…
La qualità superficie è stata sensibilmente migliorata
consentendo di ridurre il rumore della camera.
Elettronica di FE
Resistività di lastre di bachelite irraggiate in
funzione della dose integrata.
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Miscela
Variazione della rate capability di
un RPC a causa dell’aumento
della resistività per alto flusso di
gas “secco” usato.
ABS1=400 Hz/cm2
ABS 5= 120 Hz/cm2
ABS10= 50 Hz/cm2
Recovery of RPC9 with the moist mixture:
maximum efficiency vs time at Source Off
and ABS1
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Siti di assemblaggio
Double gaps
Cooling system test
CH Disassembled and
DG replaced
Gas leakage
HV test:
I vs HV
Gas flow test
Kapton-FEB
connectivity
test
< 5 micro A
steady for about 1 day
I vs time
Rejected
accepted
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
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 mA @ 9.5 kV
3th test: current stability at 9.5 kV for 12
hours
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 %
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Uniformità
• large chambers (up to 3 m2 ) covering an overall surface of 4000 m2
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).
L’inefficienza è giustificata dalla sola presenza
degli spaziatori (~1 cm2 )
Al plateau dell’efficienza le disuniformita’ dimnuiscono
sensibilmente
•La tecnologia di costruzione degli RPC è adeguata per assicurare una uniformità di risposta del
rivelatore soddisfacente per un grande esperimento come CMS.
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Summury Results
Chamber current distribution at
HV @ 9.6 kV
Chambers are rejected (or put on wait) if:
a) I > 10 mA for two gap
b) I increases with time
Monitor the current stability vs time
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
.. e neutroni
Irraggiamento di un RPC con 252Cf
Attività 17 mCi
Decadimenti:

97% a

3% fissione spontanea
Sensitivita’ ~ 0.46  10-3
Possiamo ora calcolare la rate di
segnali di “fondo” attesi in CMS per i
neutroni e fotoni in 10 Hz /cm2 e0.6
Hz/cm2 .rispettivamente.
G. Pugliese Bari, 20 May 2005
Produzione endcap -RPC
Gap production
Korea
Produzione Camere
Pakistan
Costruzione e test
camere ISR
G. Pugliese Bari, 20 May 2005