Lezione8

Ageing nelle RPC: l’esempio di BaBar
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BaBar IFR concept
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Resistive Plate Chamber
Bakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettrico
Gas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano.
Grafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparente
Strisce: elettrodi di lettura
Olio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakelite
(ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)
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Resistive Plate Chamber
Bakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettrico
Gas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano.
Grafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparente
Strisce: elettrodi di lettura
Olio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakelite
(ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)
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Due modi di funzionamento

Streamer : 200 mV su 50 Ohm, 1nC di carica (un risparmio
non indifferente sull’elettronica che segue)

Avalanche
The vertical scale is
200mV, since
amplification is 200,
so the equivalent
vertical scale is
1mV/div.
Pochissima carica, molto rumore
Elettronica delicata.
Alta rate !!!!!
Time scale is
50ns/div.
Gas mix:
R134A/Isobutane/SF
6 (94/5/1),
HV = 10600V.
6
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GIUGNO ‘99
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Il rimedio
Raffreddamento del
ferro attraverso un
sistema di circolazione
di acqua fredda
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E con una sola fine possibile: la morte

accese
tutte
% m orti
1999
2000
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Il vero problema: tuttavia all’epoca
incompreso
I(mA)
I(mA)
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Un interessante problema di fisica
Sfortunatamente fuorviante
bottoni
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Altre simpatiche foto
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Da cosa e’ costituito questo olio ? E’ una mistura di trigliceridi, formati da una molecola
di glicerolo e tre molecole di acidi grassi.
Ma vicino alle “stallattiti”…..
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Probabilmente dopo la polimerizzazione c’e’ stato una ossidazione dell’olio di Lino
E si e’ formato uno strato solido di olio.
L’analisi spettroscopica ha evidenziato la presenza di ftalati che possono inibire
La polimerizzazione.
L’aumento di temperatura ha sciolto una parte di olio, mentre il campo elettrico
Facilita la formazione di bolle/stalagmiti che uniscono I due strati del gap.
Per creare questo distastro servono:
- Olio non del tutto polimerizzato
- Alte temperature
- Campo elettrico
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Il ‘rassicurante’ modello
L’olio di lino sciolto mette in quasi corto circuito I piani della RPC: potenziale abbassato
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Questo modello sembra buono
ma…non spiega tutto
-in primis perche’ le camere continuino
a peggiorare (mica penserete che l’olio si
continua a sciogliere)
-e poi perche’ le camere continuino a morire
E c’e’ un altro problema che non si spiega
col modello descritto.
Le camere sembrano morire dopo che la
corrente (alta !) comincia a diminuire e
rapidamente si azzera !!!!
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Il mistero profondo
I (mA)

Questo non e’ compatibile
col modello a gocce d’olio
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Succede in quasi tutti i
decessi
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Radiografia di un disastro
Efficiency
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Decisione: rifare le RPC

Rifacimento di 24 moduli
Senza cambiamenti apprezzabili nel processo di produzione
(eccetto una oliatura fatta in modo diverso)
Installazione in un quarto del Forward


Operati in un ambiente a temperatura controllata
E monitorati con attenzione


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Putroppo non funziona…
Ageing osservato anche in
condizioni di funzionamento
stabili e controllate
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Un caso interessante
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Un caso terrificante
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La morte in diretta
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R(bakelite) vs Charge
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Ma anche l’umidita’ vuole
essere protagonista
Prego notare che :
a) Atmosfera secca produce incremento di resistivita’
b) Aria umida riporta la resistivita’ a bassi valori
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Noise vs Temperature
21 gradi
31 gradi
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Autopsie
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Analisi di una RPC
Bad #2
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Regione bad 1
Bad #2
Il contatore non e’ danneggiato ne
meccanicamente ne elettricamente
Il gas secco ha fatto aumentare paurosamente
La resistivita’ della grafite.
Cura: gas umido
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Regione 2
Bad #2
Ecco una chiave. La grafite evapora nelle zone ad alta
Corrente.
Cura: nessuna
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REGIONE BUONA
Bad #2
Stava per morire. Improvvisamente.
Cura: nessuna
Paradossalmente la regione migliore e’ quella che non
Funziona.
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e i difetti sono da evitare
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tutti , ma proprio tutti
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intanto si costruiva il futuro
Forward scelto
perche’ accessibile
anche in assenza
di una comprensione
completa del problema
Unica scelta per poter
porre rimedio a breve
Termine
Cmq una buona meta’
dell’angolo solido
E l’aggiunta dell’ottone
cura un altro problema
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La chiave che apre quasi tutte le porte:
QC/QA
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Qualita’ meccanica (2)
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Le sorprese non finiscono mai
Random trigger
No beam
Cosa rende
Up e Down
Asimmetrici ?
Problema: il gas e’in serie. Entra nel modulo di sotto e esce in quello di sopra.
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Il problema del Fluoro !!!!!
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Topologie e trucchi
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In media funziona (l’inversione)
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Nei layer interni il fondo e’ concentrato
vicino alla Beam Pipe
Sono tanti Hz/cm2
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Nei layer esterni il fascio
illumina a giorno
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controprova
7000 V
6700 V
Only the chambers
marked NEW are
‘new’. The others
belongs to the
original production
and do not show
any improvement
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Talvolta la bruta forza
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Sono anche doppi layer
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Torniamo ai layer interni
La perdita di efficienza a piccoli raggi (alta rate) sembra inevitabile (sebbene non danneggi il contatore)
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Intelligenza, questa volta:
trasformazione in Avalanche
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Dark current
Layer #1
cosmic
beam
∆I ~ 5mA
Avalanche
chamber
∆I ~ 3.5mA
Fact of 5 less
Layer #2
∆I ~ 20mA
Streamer
chamber
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Piu’ semplice di quanto temuto
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Avalanche vs Streamer
Lower current , less current, less voltage drop , higher efficiency: as simple as Ohm
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La spiegazione (del barrel)





La temperatura creo’ le stalattiti, le stalagmiti, i depositi di
olio sulle cornici
L’olio evidentemente non era polimerizzato
La conseguenza fu un incremento brutale della corrente Ohmica
e delle scariche (correnti di 200 mA !!!!)
La carica che e’ fluita in alcune regioni critiche ha fatto
diminuire l’efficienza (legge di Ohm) quando e’ andata bene (ma
con un peggioramento costante (aumento della resistivita’ della
bakelite colla carica).
Quando e’ andata male (e prima o poi si passa la soglia) ha
fatto evaporare la grafite e provocato la morte del contatore
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La spiegazione (del Forward 2 versione)






Il gas fatto fluire era secco e lento
La bakelite e’ aumentata di resistenza
L’effetto e’ stato compensato aumentando la tensione
I difetti locali hanno innescato hot spot virulenti
Il fluoro intanto lavorava e creava i beam tree mangiandosi
l’olio di lino, facendo aumentare il numero delle scariche locali
ed eventualmente facendo superare localmente al contatore la
soglia di evaporazione della grafite
Inefficienze locali quindi ma non morte del contatore
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I Comandamenti



L’unico modo di operare che dovrebbe essere permesso e’
l’Avalanche
I contatori devono essere delle unita’ di gas individuali
Il gas non dovrebbe contenere Fluoro
I Peccati


Tuttavia se uno sa bene quello che fa puo’ sopravvivere per il
tempo dell’esperimento violandi qualcuna delle regole
BaBar viola tutte e tre le regole ma i contatori sono costruiti
come gioielli e quindi sopportano la violenza in modo stoico
(eccetto Ohm !)
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I problemi di ageing a BELLE
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I(mA)
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Cosa e’ successo ?
La presenza di acqua insieme al fluoro ha innescato la reazione
H20 + F  HF
Anodo (FREON)
Catodo (FREON)
Anodo (Senza FREON)
Anodo ( FREON)
Vetro
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Anode
ok
Catodo ok
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La soluzione e’ quindi quella di aprire le camere e pulire I vetri dagli accumuli di Fluoro
In alternativa si puo’ anche far flussare HN3
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