Il Silicon Tracker


Tracker Consruction Gallery

Galleria fotografica del Silicon Tracker di AMS. A sinistra: un piano del Tracker. A destra: 5 piani montati sui supporti del Tracker. In basso: l

Il Silicon Tracker è il cacciatore di antimateria. E’ l’unico subdetector in grado di separare particelle di carica positiva da quelle di carica negativa, attraverso l’osservazione della direzione di curvatura di una traiettoria. Dalla misura della deflessione si possono determinare anche il momento e la direzione di provenienza della particella.

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A cosa serve il Tracker?

Il Tracker è il principale attore tra i sotto-rivelatori di AMS. Il tracciatore misura con precisione la curvatura delle particelle che attraversano il magnete, o meglio la loro rigidità (vedi sotto). Più alta è l’energia di una particella, minore è la sua curvatura. Il tracciatore è l’unico rivelatore in grado di discriminare direttamente materia e antimateria (dal segno della carica opposto). Infatti la direzione di curvatura di una particella negativa è opposta a quella di una particella positiva.

Misurando la traiettoria di una particella si risale anche alla direzione di provenienza e al momento (pari alla massa moltiplicata per la velocità) di una particella. La direzione di provenienza è particolarmente utile soprattutto a basse energie, permettendoci di distinguere la popolazione di particelle intrappolate nel campo geomagnetico dai veri e propri raggi comici provenienti dallo spazio esterno.

Inoltre il Tracker è uno dei tre subdetector (gli altri sono il ToF e il RICH) in grado di dare una stima della carica assoluta (Z) di una particella e dunque contribuisce alla capacità di separazione chimica dello spettrometro di AMS-02.

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In dettaglio: Che cos’è la rigidità?

La rigidità è definita come il momento di una particella diviso al carica (R = p/Z). Le particelle di alta energia sono più rigide di quelle a bassa energia. Due particelle con lo stesso momento possono avere rigidità diversa a seconda della carica: quella con carica superiore è meno rigida.

La relazione tra la rigidità (R), il campo magnetico (B) e la curvatura (r) è molto semplice: R = B*r. Poiché il Tracker misura la curvatura, la rigidità corrispondente può essere calcolata facilmente.

Nel mondo reale, il calcolo della rigidità è piuttosto complicato. Bisogna considerare le disomogeneità del campo magnetico, lo scattering di particelle sul rivelatore di AMS, i materiali passivi e tante altre cose. In particolare, per evitare effetti non desiderati, i materiali del Traker e le strutture di trasporto devono essere i più leggeri possibili.

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Come funziona il Tracker?

Il Tracker al silicio misura il passaggio di una particella in 8 diverse posizioni lungo la traccia, con una precisione elevata (10 µm = 1/100 mm). Il raggio della migliore traiettoria circolare che passa attraverso gli 8 punti rappresenta la curvatura della particella.

Quando particelle molto rigide fittano poco con le linee di curvatura, si dice che la rigidità della particella è vicino alla massima rigidità rivelabile (MDR). La MDR di AMS è a circa 2.2 TV.

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The Si Sensor Measurement Principle

Il Double-Sided Microstrip Silicon sensor ae il meccanismo di misura della posizione.

Come fa il sensore al silicio a misurare al posizione?

L’elemento fondamentale del Tracker di AMS è il double-sided micro-strip sensor. Questo sensore ha un substrato di silicio purissimo drogato, spesso 300 μm, ai cui lati sono avvolte ortogonalmente delle sottili strisce di alluminio (la distanza caratteristica tra le strice è di circa 50 µm).

Quando una particella carica attraversa il substrato di silicio, vengono create circa 24.000 coppie elettroni/lacune. Queste cariche migrano molto rapidamente, in 10 ns (= 10-9 s), in direzioni opposte per via del campo elettrico generato dalla tensione di bias applicata ai due lati (80 V). Solo le strisce che si trovano vicino alle cariche che stanno migrando daranno un segnale; il centro di massa della carica delle strisce fornisce una risoluzione della posizione di 10 µm e la somma dei segnali elettrici sulle stisce colpite è proporzionale al quadrato della carica assoluta della particella.

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Com’è costruito il Tracker?

Con un’area sensibile effettiva di 6.2 m2, il Silicon Tracker di AMS è il tracker di precisione più grande mai costruito per operare nello spazio: è costitutito da 2.264 double-sided Silicon sensor (72×41 mm2, spessore: 300 µm) assemblati in 192 unità di read-out, i ladder, per un totale di 200.000 canali di read-out! Per gestire la dimensione dell’evento, durante il processamento dei dati del Tracker, si effettua all’inizio una soppressione dei canali senza segnale fisico grazie a delle schede dedicate: le Tracker Data Reduction (TDR) boards. L’elettronica di read-out consuma molto poco (∼ 0.7 mW per canale), ha bassissimo rumore e un ampio range dinamico. Tutti i canali del Tracker  insieme generano un calore di circa 200 W che deve essere rimosso e tenuto sotto controllo: per questo il Tracker è dotato di un sistema di raffreddamento il Tracker Thermal Control System (TTCS).

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In dettaglio: Il Tracker Thermal Control System (TTCS) 

I 200.000 canali di elettronica del Tracker producono circa 200 W di calore che vanno rimossi. Nello spazio, non possiamo servirci dell’atmosfera per raffreddare gli strumenti! Il miglior modo di farlo è di trasferire il suo calore a un radiatore. AMS è dotato di grandi radiatori disposti ai due lati dell’esperimento, che possono irradiare più di 2.000 W.

Per accoppiare il Tracker ai radiatori principali di AMS si usa il TTCS. L’elettronica front-end del Tracker è connessa tramite barre termiche a due cooling loops riempiti di CO₂ liquida ad alta pressione. La CO₂ assorbe il calore innescando una transizione di fase liquido/gassosa. Il tubo è accoppiato termicamente ai radiatori ed è raffreddato facendo ritornare la CO₂ alla fase liquida. Il TTCS è in grado di creare un set-point stabile, garantendo il necessario flusso di CO₂ liquida nel cooling loops.

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Per saperne di più:

» AMS – Gruppo dell’INFN di Perugia

» AMS – Gruppo dell’Università di Ginevra

» AMS – Gruppo NLR TTCS

» Antimateria (Wikipedia)

» Phase-Change Cooling (Wikipedia)