Universit degli Studi di Napoli Federico II Scuola

Università degli Studi di Napoli “Federico II” Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Area Didattica di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica Laurea triennale in Fisica Studio della velocità di drift degli elettroni in una miscela di Ar-CO 2 nel rivelatore MICRO-MEsh GAseous Structure Relatori: Candidato: Prof. Mariagrazia Alviggi Maria Teresa Camerlingo Dott. Camilla Di Donato N 85/000331 Anno Accademico 2013/2014

RIVELATORI A GAS MICROMEGAS Due prototipi di Micromegas costituiscono il sistema di rivelazione dell’apparato sperimentale del presente lavoro. • Ionizzazione del gas Drift Electrode (HV 1) Conversion gap Gap di drift e- Amplification gap Micromesh (V=0) E 1 Anode Strips (HV 2) E 2 • Campo elettrico • Fenomeno di moltiplicazione a valanga di Townsend • RUOLO DEL MICROMESH Charged Particle • Strip resistive 2

Dipendenza della velocità di drift dai parametri più importanti Dalla trattazione classica: Si ottiene: + Approssimazione a gas perfetto λ e σ sono funzioni dell’energia dell’elettrone e dipendono fortemente dalla miscela adoperata 3

MISCELA Ar-CO 2 Si sfruttano le tipiche proprietà di gas nobile dell’ Ar e le proprietà di quencher della CO 2 (gas poliatomico). I due gas presentano degli andamenti σ(ε) simili. minimo di Ramsa gas poliatom ico Il diverso comportamento di λ(ε) è responsabile dell’aumento della velocità di drift in miscele rispetto al caso di Ar puro. 4

STIMA DELLA VELOCITA DI DRIFT DEGLI ELETTRONI DI IONIZZAZIONE Supposta u approssimativamente costante e nota la distanza Δh percorsa dagli elettroni, occorre solo stimare il loro tempo di percorrenza Δt per ricavare la stima di u. E’ ragionevole supporre che la distanza Δh percorsa dall’elettrone più distante dalla mesh sia pari alla profondità della gap di drift. Δt è l’intervallo di tempo impiegato dagli elettroni più distanti per raggiungere la mesh. 5

Selezione eventi e stima del tempo di salita del segnale indotto sulle strip x della camera Tagli sulla carica massima indotta qmax tra 80 e 1600 ADC count Fit della salita del segnale Criteri di qualità sul fit 6

Stima del tempo Δt (1) Nell’ipotesi di “illuminazione uniforme” si attende che la distribuzione del tempo T di ciascuna strip abbia l’aspetto di una “box”, la cui ampiezza a metà altezza dà una stime del tempo Δt. SORGENTE ADOPERATA: RAGGI COSMICI posseggono una distribuzione angolare non uniforme. Effetti sulla forma della “box”. Taglio inferiore sulla molteplicità (3) è apportato quindi per ridurre l’effetto di sovrapposizione del segnale sulla stessa strip. Taglio superiore (7) è invece determinato dalla geometria del sistema del trigger esterno. 7

Stima del tempo Δt (2) Metodo A: Fit sugli istogrammi dei Metodo B: Fit sugli istogrammi dei tempi T del cluster tempi minimi e massimi del cluster Fit con funzioni f 1 e f 2 di tipo F-D Il metodo B è stato implementato per ridurre la sottostima dei tempi (legame con forma della box) del metodo A. Distribuzione angolare dei cosmici e fluttuazioni statistiche nei processi di creazione delle coppie e--ione Fit con funzioni f 1 su tmin e con f 2 su tmax SOTTOSTIMA di Δt La stima di Δt 8

Andamento dei tempi minimi del cluster al variare della molteplicità Si sono indagate le ipotesi di partenza del metodo B: Si attende che sia il tempo minimo sia il tempo massimo varino in funzione della molteplicità del cluster fino a raggiungere dei valori limite. Simulazioni Distribuzioni osservate 10° 20° 30° Angolo di incidenza della traccia 20° Le distribuzioni osservate confermano le simulazioni convalidando il metodo B. 9

Andamento u(Edrift) (met. A e B) METODO A METODO B Lo scostamento tra le stime dei due metodi a velocità basse è minore poiché gli elettroni arrivano alla mesh più distanziati in tempo, riducendo l’effetto di accumulo sulla stessa strip. Gli andamenti ottenuti sono simili a quello simulato ma risultano traslati verso campi elettrici maggiori e velocità più elevate. Inoltre le stime ottenute con il met. B si avvicinano maggiormente ai valori simulati. 10

Discussione risultati (metodo B) (1) Le simulazioni sono effettuate a TPS mentre durante l’intera presa dati si sono osservate una variazione termica di 5. 5 K e una barica di 2900 Pa, quindi si è ricavato l’andamento a TPS delle stime ottenute tramite la legge di scala. TPS METODO B Le sole variazioni di T e P non giustificano lo scostamento tra gli andamenti osservati e quello simulato. 11

Discussione risultati (metodo B) (2) u(cm/μs) Lo scostamento tra le stime sperimentali e quelle simulate del caso Ar-CO 2 con 2% di aria è minore del caso senza aria. Edrift(V/cm) Punto di massimo compreso nello stesso intervallo (600 -800 V/cm). 12

Discussione risultati (metodo B) (3) u(cm/μs) Lo spostamento della velocità massima a valori maggiori del modulo del campo elettrico potrebbe anche indicare la presenza di una maggiore percentuale di CO 2. Edrift(V/cm) Si è quindi confrontato l’andamento con ulteriori simulazioni, a percentuali di CO 2 vicine a quella nominale, trovando che l’andamento sperimentale (in cui si tiene conto solo del contributo dei tempi alle incertezze di u) risulta compatibile con la curva simulata per la miscela 90: 10. 13

CONCLUSIONI • Le stime di u ottenute con entrambi i metodi mostrano un andamento della velocità di drift in funzione del campo simile a quello riportato in letteratura. I valori ottenuti si discostano da quelli simulati per circa il 10 -15% per il metodo B, maggiormente per il metodo A. La minore “affidabilità” del metodo A è dovuta alla forma irregolare delle “box”, ottenute adoperando come sorgente i raggi cosmici. • La differenza osservata tra misure e simulazioni è imputabile a: • incertezza della miscela, sia riguardo alla percentuale di CO 2 che all’eventuale presenza di aria; • incompletezza delle simulazioni, infatti riproducono le dipendenze di u dal modulo del campo elettrico e dalla miscela senza tenere però conto delle alterazioni introdotte dalla presenza del mesh. • Possibili prospettive future: • misura più accurata delle percentuali di gas. • sistema di tracciamento esterno che permetta di ricostruire la traiettoria dei raggi cosmici. 14