Il ToF


The ToF System

Il Lower e l'Upper ToF fotografati durante il test di assemblaggio, poco prima di essere integrato in AMS-02.

Il sistema di tempo-di-volo (Time-of-Flight, o semplicemente ToF) è il cronometro di AMS. Il ToF è in grado di fare misure ad altissima precisione (fino a 1.5×10-10 s) del tempo di passaggio di una particella. Il principale obiettivo del ToF è di avvisare tempestivamente gli altri sub-detector dell’arrivo di un raggio cosmico.

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Come funziona il ToF?

Il sistema ToF è un vero e proprio cronometro. Quando una particella attraversa il piano di contatori sopra il magnete (Upper ToF)  il Time-to-Digital converter (TDC) inizia a misurare il tempo trascorso. Il TDC viene fermato e successivamente letto non appena la particella attraversa i contatori del sistema tempo di volo posizionati sotto il magnete (Lower ToF).

Il ToF di AMS può raggiungere una precisione temporale di 150 picosecondi. Considerando una  distanza tra la parte superiore del ToF e quella inferiore di circa 1.2 m, lo strumento sarà in grado di misurare la velocità di particelle fino al 98% della velocità della luce.

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A cosa serve il ToF?

Una particella che attraversa l’Upper e il Lower ToF viene detta all’interno della regione di accettanza di AMS. Quando questo avviene il ToF avvisa subito i subdetector e i dati provenienti da Tracker, TRD, RICH, ECAL, ACC e dallo stesso ToF, vengono subito raccolti, processati e archiviati. Il segnale in grado di far partire l’acquisizione dei dati provenienti dai vari subdetector di AMS è detto trigger dell’esperimento. Quello principale, il trigger di primo livello, è costruito sfruttando l’informazione proveniente dal ToF (particelle cariche), dall’ACC (veto per le particelle ad altro angolo di inclinazione) e da ECAL (particelle neutre).

Il ToF è importante anche per la rivelazione dell’antimateria. In un campo magnetico la traiettoria di un elettrone che si muove dal basso verso la parte alta del rivelatore è equivalente alla traiettoria di un positrone nella direzione opposta. Confondere la direzione di provenienza significa dunque confondere il segno della carica, e quindi materia con antimateria. Fortunatamente il ToF è in grado di distinguere una particella che si muove dal basso verso l’alto  (detta particella di albedo) ogni 109 particelle dirette in basso.

Inoltre il ToF fornisce un’affidabile valutazione della carica assoluta della particella, il che permette di discriminare la composizione chimica ei raggi cosmici.

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Com’ è costruito il ToF?

Il ToF ha 4 piani di contatori a scintillazione, 2 sopra e 2 sotto il magnete. Partendo dall’alto, i quattro piani contengono 8, 8, 10 e 8 contatori a scintillazione che sono allineati alternativamente lungo le coordinate x e y.

Un contatore del ToF è formata da uno scintillatore di poliviniltoluene spesso 1 cm a forma trapezoidale o rettangolare di dimensioni approssimative 1×12×120 cm3. Attraverso guide di luce in pexiglass, gli scintillatori sono accoppiati alle estremità a 4 o 6 fotomoltiplicatori.

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ToF Paddle

Design di un contatore del ToF.

In dettaglio: come funziona un contatore a scintillazione?

Una particella carica che attraversa un mezzo scintillante induce eccitazioni molecolari nel materiale. Alla diseccitazione molecolare corrisponde una emissione di luce di brevissima durata (tempo tipico di τ ∼ 10−8 s). Questa luce viene poi raccolta tramite le guide di luce su fotomoltiplicatori.

Il fotomoltiplicatore è un dispositivo che, sfruttando l’effetto fotoelettrico, converte con alta efficienza la luce fluorescente in elettroni, che vengono poi focalizzati su una catena di moltiplicazione. Si tratta di una serie di elettrodi, i dinodi, che accelerano gli elettroni dando origine a una cascata di altri elettroni a bassa energia non appena i primi, quelli accelerati, colpiscono la struttura dei dinodi. Alla fine della cascata, il segnale iniziale risulta amplificato di un fattore 108.

C’è una classe particolare di fotomoltiplicatori, detta fine-mesh, dotata di una struttura compatta di dinodi in grado di ridurre la dipendenza della fotomoltiplicazione dal campo magnetico residuo all’esterno del volume del magnete. Per ridurre ulteriormente questa dipendenza si è minimizzato l’angolo tra i fotomoltiplicatori allineati lungo l’asse y e il campo magnetico attraverso guide di luce inclinate o curve.

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Per saperne di più:

» AMS: il Gruppo dell’INFN di Bologna

» Cronometro (Wikipedia)

» Effetto fotoelettrico (Wikipedia)