El contador de tiempo de vuelo (ToF)


El ToF

Partes superior e inferior del ToF en una estación de test antes de su integración en AMS.

El Contador de Tiempo de Vuelo (ToF) es el dispositivo de parada de AMS. Es capaz de medir el tiempo que tarda una partícula en atravesar AMS con gran precisión (1.5×10-10 s) y su principal objetivo es avisar a los otros detectores de la llegada de un rayo cósmico incidente.


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¿Como funciona el ToF?

El ToF funciona como un cronómetro. Cuando una particular atraviesa un plano del ToF comienza a funcionar un contador de tiempo (Time-to-Digital Converter o TDC). Cuando la partícula sale atravesando un plano del ToF al otro lado del imán, el contador de tiempo se para.


TEl sistema ToF de AMS puede alcanzar precisiones en la determinación del tiempo transcurrido de 150 ps. Dado que la distancia entre los planos superior e inferior es de aproximadamente 1.2 m, el ToF es capaz de medir la velocidad de las partículas hasta el 98% de la velocidad de la luz.


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¿Para qué necesitamos el ToF?

 Una particular que atraviese los planos superior e inferior del ToF está dentro de la aceptancia de AMS. En este caso, el ToF avisa a todos los sub-detectores de AMS (el Detector de Trazas, el TRD, el RICH, el ECAL y los ACC) y toda la información del suceso se recoge, se procesa y se almacena. La señal para comenzar el proceso de adquisición de datos se llama el trigger del experimento. El trigger principal de AMS (el Trigger de Bajo Nivel) se construye a partir d ela información proporcionada por el ToF (para partículas cargadas), los ACC (como veto para partículas que inciden lateralmente) y el ECAL (para partículas neutras).


TEl ToF también es importante para la detección de antimateria. En un campo magnético la trayectoria de un electrón que vaya de abajo hacia arriba es similar a la de un positrón que vaya de arriba hacia debajo de modo que si cometemos un error en el sentido de incidencia de la partícula le asignamos el signo de la carga equivocado. El ToF es capaz de distinguir una partícula que vaya hacia arriba entre 109 que vayan hacia abajo


Además, el dispositivo ToF nos proporciona una determinación precisa de la carga de las partículas incidentes contribuyendo a la capacidad de AMS para separar diferentes elementos químicos como Helio, Carbono, Silicio,…


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¿Cómo está construido el ToF?

El sistema ToF de AMS está formado por 4 planos de contadores de centelleo, 2 por encima del imán y dos por debajo. Los cuatro planos contienen, comenzando desde arriba, 8, 8, 10 y 8, bandas de material centelleador. Cada plano consta de bandas alineadas paralelamente a los ejes X e Y respectivamente.

Una banda consiste en una tira de 1 cm de grosor de material centelleador (poliviniltolueno) con forma rectangular o trapezoidal y dimensiones aproximadas de 1x12x120 cm3. En cada extremo se acoplan, mediante guías de luz de plexiglass, 4 o 6 fotomultiplicadores (PMTs).


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ToF PaddleDiseño de una banda del Contador ToF.


¿Como funciona el ToF en detalle?

Una partícula cargada que atraviesa un medio centelleador excita las moléculas del material. Al desexcitarse emiten luz de fluorescencia en un breve lapso de tiempo (del orden de 10−8 s) que se canaliza mediante las guías de luz hacia los fotomultiplicadores.


El fotomultiplicador es un dispositivo que convierte la luz de fluorescencia incidente en electrones mediante el efecto fotoeléctrico. Los electrones producidos se focalizan y multiplican mediante una serie de electrodos (dinodos). Mediante un diferencia de potencial entre los electrodos los electrones se aceleran y al impactar en la estructura de dinodos producen más electrones de baja energía. El proceso se va repitiendo secuencialmente y al final se obtiene una cascada de electrones de modo que la señal inicial se amplifica aproximadamente en un factor 108.


Los fotomultiplicadores denominados “de rejilla fina” tienen una estructura de dinodos compacta de modo que se reducen los efectos que el campo magnético residual de AMS tiene en la multiplicacióin de la cascada. Para reducir aún más este efecto, las guías de luz se han diseñado con diversas formas geométricas y cada una está situada formando un ángulo óptimo con respecto al campo magnético.


Para saber más:

» El grupo de AMS – INFN Bologna Group


» Cronógrafo (Wikipedia)


» Efecto fotoeléctrico (Wikipedia)