EEE Extreme Energy Events

6 – DETTAGLI FONDAMENTALI

6 A – PROTOTIPI DI GRANDI RIVELATORI CON MRPC PER MUONI
COSMICI

A.1 – Progettazione di un telescopio con MRPC

L’apparato che sarà ultilizzato per la rivelazione dei muoni cosmici deve soddisfare le seguenti condizioni:

1. deve poter coprire una grande superficie e di conseguenza essere a basso costo;
2. deve essere resistente, ossia capace di operare per molti anni con un minimo di interventi di manutenzione;
3. deve fornire un’efficienza di rivelazione quanto più prossima al 100%;
4. deve consentire la ricostruzione di tracce di muoni cosmici ed essere quindi costitutito da (almeno) tre piani di rivelazione;
5. deve possedere una risoluzione spaziale di qualche centimetro (in entrambe le coordinate orizzontali) per la localizzazione in ogni piano di rivelazione del punto di attraversamento di un muone; ciò consentirà l’estrapolazione della traccia ricostruita del muone a parecchi chilometri di quota nell’atmosfera e quindi l’individuazione, per più tracce ricostruite in diversi rivelatori, di un punto comune di produzione degli eventi di energia estrema costituiti da sciami cosmici (Sezione 2.11);
6. deve possedere una risoluzione temporale sufficiente per permettere che muoni cosmici rivelati in diversi apparati situati a grande distanza l’uno dall’altro possano essere messi in correlazione l’uno con l’altro tramite un dispositivo GPS (questo implica una risoluzione temporale di alcune decine di nanosecondi) e per garantire inoltre la discriminazione, tramite coincidenze tra almeno tre piani di rivelazione, del fondo accidentale generato da segnali di rumore (ovviamente una risoluzione dell’ordine del nanosecondo è utile a questo scopo).
   
   Dati questi requisiti la camera multigap a piani resistivi (MRPC) risulta essere la soluzione ideale e il Progetto EEE si basa in effetti sulla realizzazione di telescopi per la rivelazione dei muoni cosmici costituiti da tre piani di MRPC (Sezioni 2.2, 2.3, 2.11 e 2.12).
   Va osservato che la risoluzione spaziale dell’apparato è fortemente correlata al suo costo in quanto una migliore risoluzione spaziale può essere essenzialmente ottenuta grazie a una maggiore segmentazione. Tuttavia con una soluzione basata, per esempio, sulla tecnologia dei rivelatori a scintillatore, una maggiore segmentazione implica un maggior numero di fotomoltiplicatori e del lavoro meccanico aggiuntivo per il taglio e la levigatura dello scintillatore. I rivelatori MRPC possono essere maggiormante segmentati semplicemente diminuendo le dimensioni delle strip di lettura dei segnali e aumentando il corrispondente numero di canali di elettronica.
   Ovviamente ciò implica un costo aggiuntivo ma, a parità di segmentazione, di gran lunga inferiore a quello necessario nel caso dei rivelatori a scintillatore.

A.2 – Disegno costruttivo di base

Per il disegno costruttivo del rivelatore MRPC, è necessario individuare in primo luogo la sua struttura di base. Questa è costituita da 6 intercapedini (gap) di 350 μm di spessore, riempite di gas, intervallate da piani di materiale resistivo.

Nella Figura A.1 è mostrata una sezione del rivelatore proposto. Tale disegno costruttivo è stato effettivamente adottato per la costruzione dei primi prototipi di camere MRPC.
La dimensione dei gap, 350 μm, è stata scelta per ridurre la possibilità di scariche elettriche nel rivelatore; il numero dei gap, pari a 6, è stato scelto per assicurare un’alta efficienza di rivelazione. Come piani resistivi sono state scelte delle lastre di vetro comunemente usate per le finestre (del tipo ”soda-lime”). Il loro spessore, 2 mm, è stato scelto per facilitare la costruzione del rivelatore stesso. Piani di vetro troppo sottili sarebbero infatti troppo delicati da maneggiare. Questo aspetto sarà discusso in maggior dettaglio nel seguito. Le dimensioni della scatola che dovrà contenere il rivelatore sono di 2 m x 1 m dato che tali dimensioni corrispondono a quelle di pannelli di alluminio facilmente disponibili. Come elemento di supporto è stato utilizzato del legno compensato (plywood) dello spessore di 15 mm. In alternativa, potranno essere utilizzati pannelli di materiale composito a nido d’ape (honeycomb). Gli elettrodi di lettura dei segnali, a forma di strisce (strip) larghe 25 mm, sono realizzate con un nastro adesivo di rame applicato su un pannello di vetronite dello spessore di 1.5 mm.

La Figura A.2 mostra lo schema delle strip di lettura dei segnali e la Figura A.3 mostra una fotografia delle strip di lettura di rame applicate al pannello di vetronite (sullo sfondo sono presenti alcuni membri della squadra di costruzione dei prototipi di MRPC).

Ognuno dei due pannelli di vetronite isola le strip di lettura dal successivo piano di alta tensione, ossia da un piano di vetro dotato di un apposito rivestimento resistivo al quale è appunto applicata la tensione. Sono presenti strip di lettura sia anodiche sia catodiche in maniera tale da creare linee di trasmissione che portano i segnali alle estremità del rivelatore. La differenza temporale tra i segnali che arrivano agli estremi di ogni strip determina la coordinata lungo la strip.

A.3 – Alcuni dati costruttivi

Il primo problema riguarda la manipolazione delle lastre di vetro che vengono fornite in opportune scatole di imballaggio (come mostrato nella Figura A.4). Il problema è dunque quello di estrarle dalla scatola per poterle sovrapporle in maniera da realizzare la pila che costituisce la struttura di base del rivelatore MRPC.
Tutte le lastre di vetro devono essere inoltre pulite prima del montaggio e alcune di esse rivestite con una speciale pittura resistiva. Per sollevare le lastre di vetro è stato costruito un semplice sistema ad aspirazione, utilizzando un pannello di honeycomb e un aspirapolvere (Figura A.5). Il dispositivo permette di maneggiare con una certa semplicità i piani di vetro e di costruire i rivelatori con minimi rischi di rottura.
Grazie alla facilitazione che tale procedura consente, per il futuro potranno essere utilizzate lastre di vetro più sottili, di 1 mm di spessore; ciò permetterà di ridurre il peso del rivelatore di circa 25 kg e di aumentare l’ampiezza del segnale di circa il 50%.
Lo spaziatore tra i piani di vetro utilizzato è del filo da pesca in nylon, di 0.35 mm di diametro, fissato, secondo uno schema a zig-zag con un passo di 5 cm tra un gap e l’altro, attorno a viti collocate lungo i bordi longitudinali dei piani di vetro (Figura A.6).
Uno strato resistivo è applicato alla superficie interna dei piani di vetro estremi della pila (che costituiscono i cosiddetti piani di alta tensione) usando un particolare prodotto noto con il nome di “Licron”. Questo è essenzialmente una mistura di biossido di stagno e acetato etilico. Il Licron si asciuga sino a divenire duro ma può comunque essere raschiato via dal vetro; quindi, per fissarlo, viene applicato un secondo rivestimento di poliuretano; il risultato è uno strato resistivo, ben aderente
al vetro, di resitività superficiale pari a circa 10 MΩ/quadrato.
Come già detto e mostrato nella Figura A.1, vi sono strip anodiche e strip catodiche. Un cavo twisted pair (ossia fatto da un doppietto di cavi intrecciati) è saldato alle strip; pertanto un segnale differenziale è trasmesso dal rivelatore MRPC a un circuito stampato (printed circuit board, PCB) montato a ogni estremità. La lettura del segnale è fatta a entrambi gli estremi di ogni strip in modo da poter misurare la differenza dei tempi di arrivo del segnale alle due estremità e determinare così la
posizione lungo la strip della particella che ha attraversato il rivelatore.
Nel primo prototipo costruito sono stati montati dei connettori per i cavi di alimentazione dell’alta tensione. Il fatto di usare cavi di alimentazione a 10 kV potrebbe costituire un problema di sicurezza. Durante i test dei successivi prototipi saranno dunque provati degli alimentatori/convertitori di tensione DC-DC molto compatti che potrebbero essere alloggiati all’interno del volume del gas. La fotografia di uno di questi convertitori è mostrata nella Figura A.7.

Si noti che il prototipo illustrato è stato costruito senza l’aiuto di ingegneri o tecnici, utilizzando strumenti e utensili comuni. Ovviamente, dopo l’esperienza acquisita nella costruzione del primo prototipo, la procedura di assemblaggio potrà essere ulteriormente migliorata e ottimizzata.

A.4 – Primi test del rivelatore MRPC

Come primo test, la camera MRPC è stata sistemata su un tavolo. Due contatori a scintillatore sono stati montati, uno sopra e l’altro sotto la camera, per poter definire un segnale (trigger) di muoni cosmici attraverso di essa. Una fotografia dell’allestimento (set-up) sperimentale è mostrata nella Figura A.8.
Il gas utilizzato per il riempimento della camera è una miscela di C2F4H2 (93%) e SF6 (7%); questa è la miscela standard utilizzata nei rivelatori MRPC costruiti per il grande apparato di misura dei tempi di volo (Time-Of-Flight, TOF) delle particelle per il futuro esperimento ALICE a LHC (Sezioni 2.2 e 2.12). La scheda elettronica visibile nella Figura A.8 (electronics) è la scheda a 24 canali basata sul chip NINO ASIC, anch’esso sviluppato per il sistema TOF di ALICE.
L’efficienza di rivelazione e la corrente oscura (dark current) della camera sono mostrate nella Figura A.9, in funzione dell’alta tensione applicata. Il fatto che la dark current (che misura il rumore elettronico di fondo del rivelatore, quando esso non è attraversato da alcuna particella) sia bassa è molto soddisfacente; lo stesso livello di 200 nA/m2 può essere facilmente mantenuto anche con l’impiego degli alimentatori mostrati nella Figura A.7. A valori della tensione di ±10.25 kV la corrente inizia a crescere e l’efficienza diminuisce leggermente: questo è l’inizio della produzione di scariche. La diminuzione dell’efficienza è motivo d’attenzione e sarà ulteriormente studiata. Anche il contributo al rumore generato dagli alimentatori di alta tensione (che impedisce di regolare al minimo le soglie per il riconoscimento dei segnali prodotti dalle particelle, a scapito dell’efficienza) sarà soggetto a ulteriori
indagini.

Occorre notare che una camera costruita con vetri più sottili (si veda il precedente Paragrafo A.3) genererà segnali maggiori e quindi il “ginocchio” che segna l’inizio del plateau di efficienza di rivelazione (la regione in cui l’efficienza si stabilizza al suo livello massimo) sarà a voltaggi inferiori. Nella miscela di gas utilizzata, per lo più costituita da freon ecologico (denominato “suva”), una minore percentuale di SF6 permetterà inoltre di abbassare il ginocchio di circa 1 kV.

precedente successiva