Cmaras de Placas

Resistivas (RPCs)

por Jorge Morais

Sumrio As cmaras de placas resistivas (em ingls, resistive plate chambers, de onde

vem a sigla RPC) so sistemas de deteco de partculas baseados na

ionizao de uma mistura gasosa entalada entre duas placas paralelas de

material resistivo. Para alm de produzirem sinais de amplitude razovel

e de permitirem uma excelente resoluo temporal, estes sistemas so

economicamente muito atractivos quando comparados com outros

sistemas de funcionalidade similar. O presente trabalho monogrfico

pretende compilar de forma sucinta informao relevante acerca da sua

histria e dos seus desenvolvimentos; dos princpios fsicos subjacentes

ao seu funcionamento; do seu desenho e tcnicas de produo; dos

mtodos usados na sua operao; e ainda de algumas das suas aplicaes

em experincias passadas e actuais.

I. Introduo

As RPCs pertencem famlia dos detectores gasosos, na qual figuram

sistemas como as cmaras de ionizao, as cmaras de fascas e os contadores

de Geiger-Mller. Empregam uma configurao de elctrodos planares

paralelos, tirando partido do campo elctrico uniforme que se estabelece na

regio entre os elctrodos.

Os primeiros detectores a adoptar esta configurao utilizavam

elctrodos condutores e funcionavam em modo de descarga, exigindo para a

sua operao um circuito auxiliar que restabelecesse a carga nos elctrodos

aps a descarga, aspecto que introduzia srias limitaes ao nvel da rapidez

do sistema. Um dos primeiros sistemas deste gnero foi a Cmara de Fascas

de Keuffel, introduzida em 1948.

Nos anos 70, introduziu-se uma inovao importante na constituio de

detectores de placas paralelas: a utilizao de elctrodos de material resistivo.

Com esta modificao dos sistemas tradicionais, o circuito auxiliar tornava-se

dispensvel, possibilitando taxas de deteco muito superiores s

anteriormente atingveis. Um dos primeiros dispositivos a implementar esta

soluo foi a Cmara Planar de Fascas, desenvolvida por Pestov com

elctrodos de vidro.

A concepo das primeiras RPCs remonta ao trabalho de R. Santonico e

R. Cardarelli, publicado em 1981. Aproveitando os recentes desenvolvimentos

tcnicos da altura na produo de lminas de baquelite, Santonico empregou

este material nos elctrodos do seu primeiro prottipo. Estes aparelhos

podiam ser operados em modo de avalanche ou em modo de streamer

(descarga transiente de aspecto filamentar, correspondendo a um estgio

preliminar da descarga contnua ou fasca). Desde ento, inmeras variaes

tm sido implementadas na construo destes sistemas: espaamento mais

pequeno entre os elctrodos; introduo de vrios elctrodos sucessivos;

combinaes de elctrodos resistivos e condutores; etc

Ao longo destes anos e ainda actualmente, estes detectores tm

encontrado variadas aplicaes em Fsica das Altas Energias, nomeadamente

como dispositivos de trigger e em medies de tempo. Continua ainda hoje

uma intensa actividade de investigao em torno destes dispositivos,

recorrendo a modelos fsicos, simulaes de Monte Carlo e testes empricos,

com o intuito de aprimorar o seu desempenho, adequ-lo a novos desafios e

expandir at a sua aplicabilidade a domnios diferentes dos at aqui explorados.

II. Caractersticas do Dectector

a) Constituio e Valores de Referncia

As RPCs mais simples possuem um desenho similar ao da figura 1. Dois

elctrodos planares resistivos so dispostos paralelamente, enchendo-se o

espao entre eles com uma mistura gasosa apropriada. A diferena de

potencial frequentemente estabelecida por intermdio de camadas

condutoras (por exemplo, de grafite) deposta nas superfcies exteriores dos

elctrodos, embora originalmente fosse estabelecida directamente aos

elctrodos resistivos. Comummente, encontramos ainda uma camada

isoladora mais externa, sobre a qual so depositados os terminais de pick up

dos sinais gerados no detector. Estes terminais so habitualmente fios ou

lminas condutoras, dispostas paralelamente sobre a mesma superfcie e

perpendicularmente entre as duas superfcies. So tambm frequentemente

includos espaadores de material isolador cuja funo estabilizar o hiato

entre os elctrodos. Podem ainda combinar-se duas ou mais unidades destas

paralelamente, como exemplificado na figura 2.

Nestas RPCs, a distncia entre os elctrodos ronda tipicamente os 2 mm,

sendo operadas a uma voltagem da ordem de 10 kV, o que corresponde a um

campo elctrico da ordem dos 50 kV/cm. Com estes valores, atingem-se

resolues temporais da ordem de 1 ns. Os elctrodos tm espessuras mdias

de 2 mm e resistividade compreendida entre 108 e 1011 cm, dependendo do

material utilizado.

Figura 1 Esquema de uma RPC simples.

A mistura gasosa a utilizar deve ter uma voltagem de operao

relativamente baixa, um ganho elevado, boas caractersticas de

proporcionalidade e capacidade para operar a taxas de deteco elevadas.

Tipicamente, o principal componente gasoso utilizado (em torno dos 90%)

o C2H2F4 (tetrafluoretano), que para alm de cumprir os requisitos

supramencionados no inflamvel, tornando a operao do aparelho mais

segura. Outros componentes comuns so o C4H10 (butano ou isobutano); e o

SF6 (hexafluoreto de enxofre), que pela sua electronegatividade intervm no

sentido de controlar a formao de descargas. Quando operada no modo de

streamer, comum incluir-se rgon na mistura gasosa. Por ltimo, de notar

que, de um modo geral, esta mistura satisfaz as condies de operao mesmo

a presso atmosfrica, revelando assim ainda outra vantagem destes sistemas.

Figura 2 Exemplo de uma RPC de gap dupla.

Na figura 3 est esquematizada uma configurao de multigap, em que se

incluem alguns elctrodos resistivos adicionais que subdividem o volume

gasoso em seces. Os elctrodos adicionais so sustidos por flutuao

elctrica no campo estabelecido entre os dois elctrodos originais. Esta

inovao foi introduzida em 1996. H ainda a possibilidade de intercalar

elctrodos condutores e resistivos, preservando a operacionalidade do sistema

nos regimes de avalanche e de streamer. Nestas configuraes, tm-se distncias

tpicas de 0.25 mm entre os elctrodos, e produzem-se campos da ordem dos

100 kV/cm.

Figura 3 Esquema de uma RPC de multigap.

b) Princpios de Funcionamento

Nas RPCs, como nos outros detectores gasosos, o sinal tem origem na

multiplicao da carga produzida no meio gasoso passagem de partculas

ionizantes. Os elctrodos estabelecem um campo elctrico uniforme entre si,

ficando as cargas sujeitas acelerao por ele provocada. Se a diferena de

potencial entre os elctrodos for suficientemente grande, atinge-se um regime

de multiplicao de carga por meio de avalanche: os electres originados na

ionizao primria adquirem energia suficiente para provocar ionizaes

secundrias atravs de colises com as molculas do meio gasoso, e assim

sucessivamente. Como o campo uniforme, a multiplicao passvel de

ocorrer em qualquer localizao no volume do gs.

O processo acima descrito conhecido como avalanche de Townsend.

Matematicamente, a variao infinitesimal do nmero de electres no meio

gasoso ao longo de um percurso infinitesimal dada por

( )

em que um coeficiente que descreve a probabilidade de o electro ser

captado por uma molcula electronegativa, e um factor conhecido por

primeiro coeficiente de Townsend que est relacionado com o inverso do

caminho livre mdio do electro entre colises inelsticas ionizantes. Para um

campo elctrico uniforme, como o caso da RPC, este coeficiente constante,

originando um crescimento exponencial no nmero de electres produzidos

no meio:

( ) ( )

Aqui definiu-se um coeficiente efectivo

A utilizao de elctrodos resistivos torna o colapso do processo de

avalanche e a subsequente ocorrncia de descargas muito mais difcil

comparativamente utilizao de elctrodos condutores. A elevada resistncia

faz com que as flutuaes de carga nos elctrodos seja altamente localizada,

permitindo ainda que o restante espao esteja disponvel para a deteco de

outros eventos. No entanto, a partir de certo ponto, outros efeitos comeam a

fazer-se sentir. Por um lado, uma grande concentrao de cargas provoca

distores importantes no campo elctrico de fundo. Por outro lado, a

emisso de fotes no meio gasoso permite que os processos de avalanche se

espalhem a todo o volume gasoso. O chamado limite de Raether define um

limiar fenomenolgico para a multiplicao de carga sem que se entre no

regime de descarga: , o que corresponde a uma multiplicao mxima

de . Na prtica, devido s flutuaes estatsticas inerentes ao processo de

multiplicao, no desejvel um factor de multiplicao superior a

para manter a operao no modo de avalanche.

Considerando o atravessamento de uma partcula ionizante, esta

produzir cargas em vrios pontos da sua trajectria ao longo do gs. Todas as

cargas primrias estaro sujeitas aos mesmos processos de multiplicao. Uma

forma simples e aproximada de modelar o que acontece tem como ponto de

partida a suposio de que a ionizao primria est contnua e

uniformemente distribuda em todo o volume do gs. Seja o nmeros de

electres primrios por unidade de comprimento. Se a distncia entre os

elctrodos for e os electres tiverem velocidade de deriva , de esperar

que ao fim de um tempo o nmero total de electres seja

( ) ( )

atendendo ao facto de os electres irem sendo colectados medida que

atingem o nodo. A corrente induzida nos elctrodos , pois

( ) ( )

(

)

desprezando a contribuio dos ies positivos, o que razovel dada a sua

baixa mobilidade. No caso de existirem mltiplos pick ups de leitura, utiliza-se

o mtodo de Ramo com campos de ponderao.

c) Modos de Operao

Como j foi referido, as RPCs podem ser operadas em dois regimes

distintos: o regime de avalanche e o regime de streamer. No primeiro regime,

pretende-se que os processos de avalanche se mantenham abaixo do limite de

Raether, sendo que qualquer fenmeno de descarga constitui aqui um efeito

indesejado. Neste modo, os sinais gerados tm amplitudes extremamente

pequenas, embora o sistema tenha capacidade para trabalhar a taxas de

deteco mais elevadas.

O modo de streamer, que historicamente precedeu o de avalanche, tem

um output de amplitude significativamente maior, o que se deve maior

quantidade de carga formada e a uma maior velocidade de propagao. Assim,

simplifica-se a electrnica associada no que diz respeito amplificao de sinal.

No entanto, perde-se algum poder de resposta em tempo, sendo ainda este

tipo de sistema consideravelmente mais difcil de modelar e simular.

d) Timing e Resoluo Temporal

Para a determinao de tempos, define-se um limiar de amplitude com o

qual ser comparado o sinal induzido. Atingido o limiar, a electrnica

associada ao detector regista o instante correspondente.

Em linha com o discutido acima, o sinal de corrente gerado tem uma

evoluo exponencial no tempo. Um tratamento estatstico do processo de

avalanche permite estabelecer uma distribuio estatstica da amplitude

atingida pelo sinal da forma

( )

em que a amplitude mdia. Escrevendo

( )

mostra-se que o limiar atingido num tempo

( )

Pode mostrar-se que distribuio estatstica deste tempo para um dado limiar

tem a forma

( )

(

)

A forma desta distribuio independente de , sendo que uma variao no

limiar resulta apenas numa deslocao do tempo. A sua varincia calculada

como

( )

Para valores tpicos destes parmetros em RPCs de timing, consegue-se atingir

resolues da ordem dos 50 ps.

e) Eficincia

A eficincia destes detectores depende explicitamente dos parmetros

e e est intimamente relacionada com a probabilidade com que se produzem

aglomerados de ionizaes primrias passveis de desencadear os processos de

avalanche. Pode definir-se a ineficincia como a probabilidade de uma

partcula atravessar o meio detector sem provocar nenhuma ionizao,

relacionando-a com o comprimento efectivo da regio sensvel do detector.

As RPCs apresentam valores de eficincia bastante elevados. Nas mais

simples so comuns eficincias de 70 e 80%, enquanto em configuraes com

mais elctrodos se atingem eficincias superiores a 95%. O facto de se

atingirem eficincias to elevadas num pequeno volume sensvel sugere que os

efeitos de space charge (distoro do campo elctrico pela prpria carga

produzida) sejam crticos no processo de formao do sinal.

f) Outros Aspectos

Para alm dos aspectos j referidos, relevante mencionar a capacidade

de localizao que as RPCs mais modernas apresentam. Com um sistemas de

pick ups adequado, possvel atingir resolues espaciais da ordem dos 50m e

at mais finas. Assim, este um sistema que alia caractersticas espaciais e

temporais robustas, embora o destaque continue a recair sobre a resoluo

temporal.

Outra questo relevante prende-se com o envelhecimento dos detectores

com o uso continuado. Vrios estudos tm sido levados a cabo neste mbito,

indicando que o principal efeito observvel um aumento da corrente de

fundo com perda de eficincia, devido sobretudo acumulao de depsitos

superfcie dos elctrodos. De um modo geral, estes depsitos so facilmente

eliminados com uma limpeza simples. Para alm disso, esta acumulao

lenta, pelo que o detector apresenta uma durabilidade considervel.

III. Aplicaes

Antes das RPCs, em aplicaes que exigissem uma resoluo temporal

muito fina, eram utilizados detectores cintiladores acoplados a tipos especiais

de fotomultiplicadores que atendessem s exigncias do problema. Estes

sistemas eram caros e difceis de produzir, ainda mais se fosse necessrio

cobrir uma grande rea. Neste mbito, a introduo das RPCs como

alternativa queles sistemas foi acolhida com apreo e entusiasmo.

As RPCs de single gap encontram aplicao sobretudo como

componentes de trigger em montagens de maior dimenso. J as RPCs mais

recentes, de gap duplo ou de multigap, tm aplicao na medio do tempo de

vo de partculas, o que permite, em conjunto com a determinao do seu

momento, o clculo da massa e, por conseguinte, a identificao da partcula.

Pode assim compreender-se o papel relevante que estes detectores podem

assumir ao integrar uma montagem experimental.

As RPCs tm vindo a encontrar aplicao em diversas reas de

investigao, em especial dentro da Fsicas das Altas Energias. Experincias

como o BABAR, o BELLE, o LHCb e o ATLAS tiraram partido destes

dispositivos no conjunto dos seus aparatos. Em particular, destaca-se a

utilizao de RPCs de timing na experincia ALICE, no CERN, para a medio

de tempos de vo, cobrindo uma rea de 160m2.

Outra aplicao interessante das RPCs foi na medio da anisotropia dos

raios csmicos na experincia Argo-YBJ, levada a cabo no Tibete. No entanto,

neste campo encontram-se ainda desafios por resolver, nomeadamente no que

diz respeito deteco de partculas que chegam superfcie terrestre com

energias relativamente baixas.

Como exemplo da versatilidade destes sistemas, vale pena mencionar

recentes projectos que visam implementar RPCs em sistemas de imagiologia

mdica, nomeadamente em PET. A ideia seria utilizar uma configurao de

multigap com uma aceitncia de cerca de 90%. A excelente resoluo temporal

do detector permitiria aumentar a rejeio de eventos fortuitos, melhorando a

qualidade da imagem produzida. Para alm disso, como alternativa aos

sistemas de cintiladores actualmente usados, representa atractivos econmicos

muito interessantes.

Recentemente, conceberam-se os primeiros detectores GEM de

microestrutura com elctrodos resistivos, inspirando-se directamente nas

virtudes das RPCs. Isto pode ser visto como uma aplicao indirecta, ou seja,

no do sistema em si mas da ideia conceptual que lhe serve de base. Com esta

inovao, consegue-se diminuir drasticamente o efeito nefasto da eventual

produo de descargas em sistemas to sensveis como as GEMs de

microestrutura.

IV. Concluso

As RPCs so sistemas de deteco extremamente aliciantes pelas suas

caractersticas e por todo o potencial que ainda encerram. Constituem

ferramentas de medio extremamente precisas que, pela versatilidade a que se

do no desenho e concepo (desde a escolha dos materiais s dimenses e ao

esquema de aquisio do sinal), encontram lugar em diversos contextos de

aplicao. A sua construo comporta custos baixos relativamente a uma boa

parte dos outros sistemas detectores, o que permite cobrir reas mais extensas

com menor oramento. A investigao em torno desta famlia de detectores

prossegue empolgada por todas estas razes, e promete fazer face aos desafios

que se lhe vo colocando.

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