Resistive Plate Chambers

Oggi spiegheremo il funzionamento degli RPCs e cercheremo di capire come funzionano questi oggetti.

Gli RPC sono rivelatori a gas in grado di rilevare il passaggio di particelle cariche mediante la ionizzazione della miscela di gas con cui vengono riempiti.

Un RPC è costituito da 2 elettrodi piani paralleli distanti 2 mm tra i quali viene fatta circolare la miscela di gas.

Gli elettrodi sono costituiti da 2 lastre di bachelite spesse 2 mm con una resistività ρ˜0.5÷1 · 10¹²Ωcm ( [Bacci C. et al., High altitude test of RPCs for the ARGO-YBJ experime Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 1078nt, Nucl. Instr. Meth. A443 (2000) 342-350]), separati da dischi di materiale isolante.

L’elettrodo resistivo può essere idealmente suddiviso in tanti condensatori elementari di piccola dimensione indipendenti tra di loro.

Il tempo morto del rivelatore è dell’ordine del tempo necessario alla ricarica dei condensatori elementari ovvero di ε·ρ≈2.6 ms

dove ε è la costante dielettrica della bachelite;

molto minore rispetto a quello che si avrebbe con elettrodi di materiale conduttore.

Ciascun RPC, di dimensioni 125 x 280 cm², è contenuto, insieme alle strip di lettura ed all’elettronica di front-end, in una struttura di alluminio di dimensioni 128 x 282 x 5 cm³ che fornisce la necessaria rigidità.

[inline: 1= Immagine - 1 - Sezione di una Camera] Immagine - 1 - Sezione di una Camera

La superficie esterna delle lastre di bachelite è ricoperta da una vernice a base di grafite che serve per distribuire ai piani l’alta tensione e consentire il pick-up induttivo della carica prodotta dalla ionizzazione.

I segnali vengono letti mediante due piani di strip, ogni camera è equipaggiata con strip di lettura larghe 6.7 cm e lunghe 62 cm.

Ogni RPC è dotata di 80 strip organizzate in gruppi di 8 a costituire la pad; i segnali di 8 strip sono raccolti in un OR che definisce quindi l’unità logica più piccola: la PAD ( 67 x 62 cm² ); ogni camera contiene 10 pad, ognuna dotata della scheda elettronica.

L’insieme di 12 RPC costituisce l’unità detta CLUSTER, di dimensioni 5.7 x 7.9 m².

I segnali di OR sono letti da TDC (Time to Digital Converter ) multihit, operanti in modalità common-stop, il che significa che il segnale di stop arriva dopo quello di start in caso sia avvenuto l’evento di fisica che cercavamo.

[inline: 2= Immagine - 2 - Foto della sezione di una Camera] Immagine - 2 - Foto della sezione di una Camera

Per ogni evento vengono acquisiti:

• La molteplicità, cioè il numero di strip che si sono accese all’interno di una pad
• La posizione della pad colpita
• Il tempo corrispondente al primo segnale di strip che accende la pad

Il sistema di trigger:

Il sistema di trigger consiste in un insieme di moduli di elettronica dedicata.

Si basa su una logica di "majority" e consiste in un insieme di moduli elettronica che gestiscono i segnali delle pad accese entro 2 µs dall’arrivo della prima particella.

La topologia degli eventi che ARGO-YBJ si propone di studiare è molto varia, deve dunque essere realizzato un trigger in grado di discriminare tra i diversi fenomeni.

La rate di trigger di ARGO-YBJ è stata divisa in tre canali principali, catalogando gli eventi in base alla molteplicità degli hit:

• LMT trigger di bassa molteplicità ( hit per evento > 16 )
• MMT trigger di media molteplicità ( hit per evento > 50 )
• HMT trigger di alta molteplicità ( hit per evento > 100 )

[inline: 3= Immagine - 3 - Visione esplosa delle parti logiche di un rivelatore]
Immagine - 3 - Visione esplosa delle parti logiche di un rivelatore

Le caratteristiche di questi trigger sono riportati in tabella n° 1 Trigger rate per l’esperimento ARGO-YBJ.

Tabella n° 1

Il meccanismo di Streamer

Per concludere questo argomento aggiungiamo qualche cosa riguardo il meccanismo di Streamer.

L’RPC è sottoposto ad un campo elettrico uniforme Eo, il regime di funzionamento scelto è quello di streamer limitato.

Quando una particella carica attraversa il gas, lo ionizza e dà luogo alla formazione di coppie elettrone-positrone, in un tempo di circa 10 ÷ 100 ps.

Gli elettroni, muovendosi velocemente verso l’anodo, sono in grado di ionizzare a loro volta il gas producendo altre coppie ione-elettrone.

Questo processo continua fino alla formazione di una valanga di carica.

All’interno della valanga si creano due zone di carica, una positiva dovuta agli ioni ed una negativa dovuta agli elettroni.

Tra le due zone di carica si genera un campo elettrico Ε_ds di segno opposto a Ε₀, che cresce all’aumentare della carica di ionizzazione fin quando non annulla Ε₀

Nella zona dove il campo si annulla si innescano processi di ricombinazione con conseguente emissione di fotoni UV. Questi a loro volta ionizzano il gas e creano valanghe secondarie che si fondono con le altre, generando un unico filamento di carica detto "streamer".

La miscela di gas utilizzata negli RPC, è composta da argon (˜15%), isobutano (˜10%) e tetrafluoroetano (˜75%).

Arrivederci alla prossima!

Bibliografia:

Bacci C. et al., High altitude test of RPCs for the ARGO-YBJ experiment Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 1078nt, Nuclear Instruments and Methods A443 (2000) 342-350].

Sitografia

Argo YBJ Experiment - "The Resistive Plate Counters" http://argo.na.infn.it/argo_rpc.html