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Ageing nelle RPC: l’esempio di BaBarAgeing nelle RPC: l’esempio di BaBar

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BaBar IFR conceptBaBar IFR concept

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Resistive Plate ChamberResistive Plate ChamberBakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettricoBakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettricoGas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano.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 trasparenteGrafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparenteStrisce: elettrodi di letturaStrisce: elettrodi di letturaOlio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakeliteOlio 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)(ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)

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Resistive Plate ChamberResistive Plate ChamberBakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettricoBakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettricoGas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano.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 trasparenteGrafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparenteStrisce: elettrodi di letturaStrisce: elettrodi di letturaOlio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakeliteOlio 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)(ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)

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Due modi di Due modi di funzionamentofunzionamento

Streamer : 200 mV su 50 Ohm, 1nC di carica (un Streamer : 200 mV su 50 Ohm, 1nC di carica (un risparmio non indifferente sull’elettronica che segue)risparmio non indifferente sull’elettronica che segue)

AvalancheAvalancheThe vertical scale is 200mV, since amplification is 200, so the equivalent vertical scale is 1mV/div.

Time scale is 50ns/div.

Gas mix: R134A/Isobutane/SF6 (94/5/1),

HV = 10600V.

Pochissima carica, molto rumorePochissima carica, molto rumoreElettronica delicata.Elettronica delicata.

Alta rate !!!!!Alta rate !!!!!

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GIUGNO ‘99GIUGNO ‘99

99

Il rimedioIl rimedio

Raffreddamento del Raffreddamento del ferro attraverso un ferro attraverso un sistema di sistema di circolazione di acqua circolazione di acqua freddafredda

1010

1111

E con una sola fine possibile: la E con una sola fine possibile: la mortemorte

19991999

20002000

acceseaccese

tuttetutte

% m orti% m orti

1212

1313

Il vero problema: tuttavia all’epoca Il vero problema: tuttavia all’epoca incompresoincompreso

I(I(A)A)I(I(A)A)

1414

Un interessante problema di fisicaUn interessante problema di fisicaSfortunatamente fuorvianteSfortunatamente fuorviante

bottonibottoni

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Altre simpatiche fotoAltre simpatiche foto

1717

Da cosa e’ costituito questo olio ? E’ una mistura di trigliceridi, formati da una molecoladi glicerolo e tre molecole di acidi grassi.

Ma vicino alle “stallattiti”…..

1818

Probabilmente dopo la polimerizzazione c’e’ stato una ossidazione dell’olio di LinoE si e’ formato uno strato solido di olio.

L’analisi spettroscopica ha evidenziato la presenza di ftalati che possono inibireLa polimerizzazione.

L’aumento di temperatura ha sciolto una parte di olio, mentre il campo elettricoFacilita la formazione di bolle/stalagmiti che uniscono I due strati del gap.

Per creare questo distastro servono:Per creare questo distastro servono:- Olio non del tutto polimerizzatoOlio non del tutto polimerizzato- Alte temperatureAlte temperature- Campo elettricoCampo elettrico

1919

Il ‘rassicurante’ modelloIl ‘rassicurante’ modello

L’olio di lino sciolto mette in quasi corto circuito I piani della RPC: potenziale abbassatoL’olio di lino sciolto mette in quasi corto circuito I piani della RPC: potenziale abbassato

2020

Questo modello sembra Questo modello sembra buono ma…non spiega buono ma…non spiega

tuttotutto-in primis perche’ le camere continuino in primis perche’ le camere continuino a peggiorare (mica penserete che l’olio sia peggiorare (mica penserete che l’olio sicontinua a sciogliere)continua a sciogliere)

-e poi perche’ le camere continuino a morire-e poi perche’ le camere continuino a morire

E c’e’ un altro problema che non si spiegaE c’e’ un altro problema che non si spiegacol modello descritto.col modello descritto.

Le camere sembrano morire dopo che la Le camere sembrano morire dopo che la corrente (alta !) comincia a diminuire e corrente (alta !) comincia a diminuire e rapidamente si azzera !!!!rapidamente si azzera !!!!

2121

Il mistero profondoIl mistero profondo

I (I (A)A)

Questo non e’ compatibileQuesto non e’ compatibilecol modello a gocce d’olio col modello a gocce d’olio

2222

Succede in quasi tutti i Succede in quasi tutti i decessidecessi

2323

Radiografia di un disastroRadiografia di un disastro

EfficiencyEfficiency

2424

Rifacimento di 24 moduli Rifacimento di 24 moduli Senza cambiamenti apprezzabili nel processo di Senza cambiamenti apprezzabili nel processo di

produzione (eccetto una oliatura fatta in modo produzione (eccetto una oliatura fatta in modo diverso)diverso)

Installazione in un quarto del ForwardInstallazione in un quarto del Forward

Operati in un ambiente a temperatura controllata Operati in un ambiente a temperatura controllata E monitorati con attenzioneE monitorati con attenzione

Decisione: rifare le RPCDecisione: rifare le RPC

2525

Putroppo non funziona…Putroppo non funziona…

Ageing osservato anche inAgeing osservato anche incondizioni di funzionamentocondizioni di funzionamentostabili e controllatestabili e controllate

2626

Un caso interessanteUn caso interessante

2727

Un caso terrificanteUn caso terrificante

2828

La morte in direttaLa morte in diretta

2929

R(bakelite) vs ChargeR(bakelite) vs Charge

3030

Ma anche l’umidita’ vuole Ma anche l’umidita’ vuole essere protagonistaessere protagonista

Prego notare che :Prego notare che :a)a) Atmosfera secca produce incremento di resistivita’Atmosfera secca produce incremento di resistivita’b)b) Aria umida riporta la resistivita’ a bassi valoriAria umida riporta la resistivita’ a bassi valori

3131

Noise vs TemperatureNoise vs Temperature

21 gradi21 gradi31 gradi31 gradi

3232

AutopsieAutopsie

3333

Bad #2Bad #2

Analisi di una RPCAnalisi di una RPC

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Bad #2Bad #2

Il contatore non e’ danneggiato neIl contatore non e’ danneggiato nemeccanicamente ne elettricamentemeccanicamente ne elettricamente

Il gas secco ha fatto aumentare paurosamenteIl gas secco ha fatto aumentare paurosamenteLa resistivita’ della grafite. La resistivita’ della grafite.

Cura: gas umidoCura: gas umido

Regione bad 1Regione bad 1

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Bad #2Bad #2

Ecco una chiave. Ecco una chiave. La grafite evaporaLa grafite evapora nelle zone ad alta nelle zone ad altaCorrente.Corrente.

Cura: nessunaCura: nessuna

Regione 2Regione 2

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REGIONE BUONAREGIONE BUONABad #2Bad #2

Stava per morire. Improvvisamente.Stava per morire. Improvvisamente.

Cura: nessunaCura: nessuna

Paradossalmente la regione migliore e’ quella che non Paradossalmente la regione migliore e’ quella che non Funziona.Funziona.

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e i difetti sono da evitaree i difetti sono da evitare

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tutti , ma proprio tuttitutti , ma proprio tutti

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intanto si costruiva il intanto si costruiva il futurofuturo

Forward scelto Forward scelto perche’ accessibileperche’ accessibileanche in assenzaanche in assenzadi una comprensionedi una comprensionecompleta del problemacompleta del problema

Unica scelta per poterUnica scelta per poterporre rimedio a breveporre rimedio a breveTermineTermine

Cmq una buona meta’Cmq una buona meta’dell’angolo solidodell’angolo solido

E l’aggiunta dell’ottoneE l’aggiunta dell’ottonecura un altro problemacura un altro problema

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La chiave che apre quasi tutte le La chiave che apre quasi tutte le porte:porte:QC/QAQC/QA

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Qualita’ meccanica (2)Qualita’ meccanica (2)

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Le sorprese non finiscono Le sorprese non finiscono maimai

Random triggerRandom triggerNo beamNo beam

Cosa rende Cosa rende Up e Down Up e Down Asimmetrici ?Asimmetrici ?

Problema: il gas e’in serie. Entra nel modulo di sotto e esce in quello di sopra.Problema: il gas e’in serie. Entra nel modulo di sotto e esce in quello di sopra.

4343

Il problema del Fluoro !!!!!Il problema del Fluoro !!!!!

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Topologie e trucchiTopologie e trucchi

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In media funziona In media funziona (l’inversione)(l’inversione)

4646

Sono tanti Hz/cm2Sono tanti Hz/cm2

Nei layer interni il fondo e’ concentratoNei layer interni il fondo e’ concentratovicino alla Beam Pipevicino alla Beam Pipe

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Nei layer esterni il fascio Nei layer esterni il fascio illumina a giornoillumina a giorno

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controprovacontroprova

7000 V6700 V

Only the chambersmarked NEW are‘new’. The others belongs to the original productionand do not show any improvement

4949

Talvolta la bruta forzaTalvolta la bruta forza

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Sono anche doppi layerSono anche doppi layer

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Torniamo ai layer interniTorniamo ai layer interni

La perdita di efficienza a piccoli raggi (alta rate) sembra inevitabile (sebbene non danneggi il contatore)La perdita di efficienza a piccoli raggi (alta rate) sembra inevitabile (sebbene non danneggi il contatore)

5252

Intelligenza, questa volta: Intelligenza, questa volta: trasformazione in trasformazione in

AvalancheAvalanche

5353

Dark currentDark current

Layer #1

Layer #2

∆I ~ 5A

∆I ~ 3.5A

∆I ~ 20AStreamer chamber

Avalanche chamber

Fact of 5 less

cosmic

beam

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Piu’ semplice di quanto Piu’ semplice di quanto temutotemuto

5555

Avalanche vs StreamerAvalanche vs Streamer

Lower current , less current, less voltage drop , higher efficiency: as simple as OhmLower current , less current, less voltage drop , higher efficiency: as simple as Ohm

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La spiegazione (del barrel)La spiegazione (del barrel)

La temperatura creo’ le stalattiti, le stalagmiti, i La temperatura creo’ le stalattiti, le stalagmiti, i depositi di olio sulle cornicidepositi di olio sulle cornici

L’olio evidentemente non era polimerizzato L’olio evidentemente non era polimerizzato La conseguenza fu un incremento brutale della La conseguenza fu un incremento brutale della

corrente Ohmica e delle scariche (correnti di 200 corrente Ohmica e delle scariche (correnti di 200 A !!!!)A !!!!)

La carica che e’ fluita in alcune regioni critiche ha fatto La carica che e’ fluita in alcune regioni critiche ha fatto diminuire l’efficienza (legge di Ohm) quando e’ andata diminuire l’efficienza (legge di Ohm) quando e’ andata bene (ma con un peggioramento costante (aumento bene (ma con un peggioramento costante (aumento della resistivita’ della bakelite colla carica).della resistivita’ della bakelite colla carica).

Quando e’ andata male (e prima o poi si passa la Quando e’ andata male (e prima o poi si passa la soglia) ha fatto evaporare la grafite e provocato la soglia) ha fatto evaporare la grafite e provocato la morte del contatoremorte del contatore

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La spiegazione (del Forward 2 La spiegazione (del Forward 2 versione)versione)

Il gas fatto fluire era secco e lentoIl gas fatto fluire era secco e lento La bakelite e’ aumentata di resistenzaLa bakelite e’ aumentata di resistenza L’effetto e’ stato compensato aumentando la tensione L’effetto e’ stato compensato aumentando la tensione I difetti locali hanno innescato hot spot virulentiI difetti locali hanno innescato hot spot virulenti Il fluoro intanto lavorava e creava i beam tree Il fluoro intanto lavorava e creava i beam tree

mangiandosi l’olio di lino, facendo aumentare il mangiandosi l’olio di lino, facendo aumentare il numero delle scariche locali ed eventualmente numero delle scariche locali ed eventualmente facendo superare localmente al contatore la soglia di facendo superare localmente al contatore la soglia di evaporazione della grafiteevaporazione della grafite

Inefficienze locali quindi ma non morte del contatoreInefficienze locali quindi ma non morte del contatore

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I ComandamentiI Comandamenti

L’unico modo di operare che dovrebbe essere L’unico modo di operare che dovrebbe essere permesso e’ l’Avalanchepermesso e’ l’Avalanche

I contatori devono essere delle unita’ di gas individualiI contatori devono essere delle unita’ di gas individuali Il gas non dovrebbe contenere Fluoro Il gas non dovrebbe contenere Fluoro

Tuttavia se uno sa bene quello che fa puo’ Tuttavia se uno sa bene quello che fa puo’ sopravvivere per il tempo dell’esperimento violandi sopravvivere per il tempo dell’esperimento violandi qualcuna delle regolequalcuna delle regole

BaBar viola tutte e tre le regole ma i contatori sono BaBar viola tutte e tre le regole ma i contatori sono costruiti come gioielli e quindi sopportano la violenza costruiti come gioielli e quindi sopportano la violenza in modo stoico (eccetto Ohm !) in modo stoico (eccetto Ohm !)

I PeccatiI Peccati

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I problemi di ageing a BELLEI problemi di ageing a BELLE

6060

6161

I(I(A)A)

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Cosa e’ successo ?Cosa e’ successo ?

La presenza di acqua insieme al fluoro ha innescato la reazioneLa presenza di acqua insieme al fluoro ha innescato la reazione

HH220 + F 0 + F HF HF

Anodo (FREON)Anodo (FREON) Catodo (FREON)Catodo (FREON)

Anodo (Senza FREON)Anodo (Senza FREON)Anodo ( FREON)Anodo ( FREON)

VetroVetro

6565

6666

6767

Anode Anode okok

Catodo okCatodo ok

6868

La soluzione e’ quindi quella di aprire le camere e pulire I vetri dagli accumuli di FluoroLa soluzione e’ quindi quella di aprire le camere e pulire I vetri dagli accumuli di Fluoro

In alternativa si puo’ anche far flussare HN3In alternativa si puo’ anche far flussare HN3