Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

1. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

2. Indice degli argomenti trattati Indice degli argomenti trattati • Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle • Perdita di energia per ionizzazione • Radiazione Cerenkov • Radiazione di transizione • Bremsstrahlung • Interazione dei fotoni con la materia • Effetto fotoelettrico • Effetto Compton • Produzione di coppie Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 2

3. Indice degli argomenti trattati • Interazioni nucleari • Interazioni deboli • Rivelatori di particelle funzionanti con miscele gassose • Camere a ionizzazione • Camere proporzionali • Geometria cilindrica • Carica spaziale • Sviluppo del segnale in un contatore proporzionale • Nuovi sviluppi • Micro Strip Gas Chamber (MSGC) • Gas electron Multiplier (GEM) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 3

4. Indice degli argomenti trattati • Elettronica di front-end • Sistema rivelatore-preamplificatore • Sorgenti di rumore e tipi di misure • Risposta del preamplificatore • Valore ottimale Cin preamplificatore • Selezione dello stadio di ingresso • Sorgenti di rumore – spettro in potenza • Sorgenti di rumore per un transistore bipolare • Analisi del rumore per le tre configurazioni CF, CB, CA • Selezione del filtro • Circuito di cancellazione polo-zero • Rivelatori con alte Cdet Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 4

5. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle • Perdita di energia per ionizzazione • Radiazione Cerenkov • Radiazione di transizione • Bremsstrahlung • Produzione di coppie Fenomeni associati al passaggio di particelle relativistiche attraverso la materia Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 5

6. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle • dE/dx (perdita di energia) per ionizzazione • tipo di radiazione • energia delle particelle • tipo di materiale Equazione di Bethe-Bloch Minimo per   3.5 Effetto relativistico (contrazione di Lorentz nella coordinata x) causa aumento densità del mezzo (10% solidi/50% gas) I= potenziale di ionizzazione (13.5 eV gas / 1 keV piombo) Perdita di energia per ionizzazione normalizzata per argon liquido (densità = 1.4x103 kg/m3) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 6

7. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Approssimazione della perdita di energia per ionizzazione Es. Quanta energia rilascia un  da 10 GeVche attraversa una persona ? Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 7

8. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Radiazione Cerenkov • Velocità della luce in un mezzo con indice rifrazione n è c/n. • Particella relativistica più veloce della luce nel mezzo. • Emissione radiazione coerente ad un angolo determinato dalla sua velocità e dall’indice di rifrazione del mezzo Spettro energetico continuo; una frazione significativa è nel visibile Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 8

9. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Radiazione Cerenkov a) Esempio : dato l’indice di rifrazione per l’acqua = 1.33 determinare : La soglia in energia nel caso di un elettrone incidente per generare la radiazione Cerenkov. L’angolo di emissione della radiazione Cerenkov per un elettrone da 500 MeV nell’acqua b) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 9

10. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Radiazione di transizione • E’ la radiazione emessa quando una particella carica relativistica attraversa il confine tra due mezzi. • Può essere pensata come generata dall’accellerazione apparente della particella dovuta al cambiamento nell’indice di rifrazione al confine tra i due mezzi. • La radiazione di transizione è coerente ed è concentrata in un angolo uguale a 1/ rispetto alla direzione della particella incidente. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 10

11. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Bremsstrahlung • Elettroni e positroni, come conseguenza della massa ridotta, perdono energia anche per bremsstrahlung (braking radiation) nell’attraversare la materia. • Processo causato da interazione elettromagnetica con nucleo atomico in cui viene generato un fotone (e- + N  e- + N +  o e+ + N  e+ + N + ) • Per elettroni dE/dx dovuto a Bremsstrahlung domina per E > pochi MeV • Parametro fondamentale dei materiali è la lunghezza di radiazione (0) definita come la distanza in cui l’energia di un elettrone è ridotta di un fattore 1/e per Bremsstrahlung (dE/E=-dx/ 0). Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 11

12. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Interazione dei fotoni con la materia Effetto fotoelettrico : radiazione em incidente sulla superfice di un metallo può estrarre elettroni. Il fotone è una particella caratterizzata da energia e momento, ma con massa nulla. La massima energia cinetica dell’elettrone estratto è Ek max = hf-  con  = potenziale di estrazione del metallo Esempio : Qual’è l’energia associata ai fotoni con lunghezza d’onda 400 nm <  < 700 nm (visibile) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 12

13. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Effetto Compton • Interazione tra un fotone e un elettrone del materiale assorbente • Fotone deviato di un angolo . Tutti gli angoli sono possibili  energia trasferita ad elettrone può variare da zero ad un frazione consistente dell’energia del . Parte dell’energia iniziale è sempre mantenuta dal fotone incidente Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 13

14. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Produzione di coppie • Energicamente possibile se energia  incidente maggiore di 2 volte la massa a riposo dell’elettrone (0.511 MeV). • Probabilità di interazione bassa fino ad energie di alcuni MeV  processo valido solo per  di alte energie. • Nell’interazione il fotone scompare e viene generata una coppia elettrone-positrone. • 2 fotoni vengono generati successivamente dall’annichilazione del positrone. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 14

15. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Interazioni nucleari • Adrone energetico (,K,N,P) che attraversa la materia  interazione nucleare. • Un materiale può essere caratterizzato dal parametro 0 (lunghezza di interazione). 0 = distanza alla quale un neutrone da 100 GeV ha una probabilità 1/e di non avere un’interazione anelastica con un nucleo. Interazioni deboli • Il neutrino nell’attraversare la materia non subisce nessuna delle interazioni descritte precedentemente  la materia è quasi trasparente per questa particella. • Il neutrino ha bassa probabilità di essere rivelato direttamente (anche con un rivelatore di grandi dimensioni). Es. La sezione d’urto di un neutrino da 100 GeV è  9 ordini di grandezza più piccola di quella di un neutrone  sarebbero necessari  109 m cemento per assorbirlo Per rivelare direttamente i neutrini è necessario un fascio intenso di queste particelle incidente su un rivelatore di grandi dimensioni. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 15

16. Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione La carica raccolta dipende anche da fenomeni di ricombinazione (sia iniziale che nel volume del rivelatore) Camere a ionizzazione • Raccolta di tutte le cariche create per ionizzazione diretta attraverso l’applicazione di un campo elettrico. • Funzionamento DC o impulsivo. • Tipicamente necessari  30-35 eV per creare coppia. • Fluttuazioni inferiori di quanto previsto da distribuzione Poisson (fluttuazioni caratterizzate da dev. Stand. )  Fano factor Costante empirica che moltiplicata per la varianza produce il valore osservato Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 16

17. Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Mobilità IONI • Cammino libero medio (NO campo elettrico)  10-6 – 10-8 m • Con campo elettrico vdrift =  (/P)  costante per ampi range di  e P; tipicamente  = 1-1.5 10-4 m2 atm/(Vs) Es. P=1 atm, =104 V/m vdrift 1 m/s  1 ms per attraversare 1 cm. ELETTRONI • Massa elettroni inferiore  vdrift elettr.  1000 vdrift ioni tempo raccolta elettroni  s Camere a ionizzazione Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 17

18. Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Funzionamento in DC Funzionamento in modo impulsivo Viene misurata la corrente di ionizzazione. Per misurare piccole correnti di ionizzazione  tecnica di integrazione della carica su un periodo di tempo T. Si guadagna in sensibilità nella misura dell’energia rilasciata nel rivelatore dalla radiazione incidente. Particella ionizzante  coppie di ioni derivano verso elettrodi  carica indotta sugli elettrodi  V ai capi di R  V max quando tutta la carica raccolta  ritorno alle condizioni di equilibrio (V0) con  =RC Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 18

19. Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione RC grande (> ms) • tutti gli ioni vengono raccolti • rivelatore puo’ funzionare solo ad una rate molto bassa Funzionamento in modo impulsivo RC piccola (s) • Ampiezza impulso dipende solo dalla deriva degli elettroni (tempi di salita e discesa più rapidi) • rivelatore puo’ funzionare con una rate più alta Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 19

20. Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione  Circuito esterno grande  energia necessaria per movimento cariche derivata da energia immagazzinata inizialmente nella camera (1/2 CV2) Energia iniziale = energia assorbita dagli ioni + energia assorbita dagli elettroni + energia rimanente VR/d  2V0 VR Energia necessaria per il moto delle cariche = Q Variazione nel potenziale elettrico = E x distanza attraversata  Porzione iniziale del segnale ha una salita lineare n0e Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 20

21. Elettroni raggiungono anodo dopo tempo t-=x/v-; ioni raggiungono catodo dopo un tempo t+=(d-x)/v+ Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Ampiezza impulso funzione della posizione (x) in cui sono stati generati gli elettroni INDUZIONE un percorso di deriva pari a v+t genera una caduta di potenziale nella camera pari a n0ev+t/dC. Stesso effetto si avrebbe riducendo la carica immagazzinata in una capacità C di una quantità n0ev+t/d  si può immaginare che il moto ionico induca una carica n0ev+t/d . Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 21

22. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Sfruttano la moltiplicazione nel gas per amplificare la carica generata dalla ionizzazione primaria Camere proporzionali Il valore di soglia del campo elettrico per avere ionizzazzione secondaria alla pressione atmosferica è dell’ordine di 106 V/m Energia delle particelle incidenti Coefficente di Townsend n(x)=n(0)ex Regioni di funzionamento di un rivelatore a gas Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 22

23. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Vantaggi Geometria cilindrica • Valori di campo elevati sono raggiunti solo vicino al filo (circa un cilindro compreso entro 5 raggi anodici). • Regione di moltiplicazione confinata in una zona molto piccola del rivelatore  moltiplicazione unifome per tutte le coppie di primari. Es. Dati V=2000 V, a = 80 , b= 1cm  = 5.18x106 V/m. Per ottenere lo stesso campo con una geometria a piatti paralleli spaziati di 1 cm servirebbe una ddp di circa 52 kV !!! Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 23

24. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Problemi connessi agli effetti di moltiplicazione nel gas Contributo dovuto alla fluttuazione del fattore di moltiplicazione per singolo elettrone Effetti di carica spaziale Campi elettrici bassi Campi elettrici elevati (Polya) Contributo dovuto alla fluttuazione del numero di primari 0.05-0.2 0 <  < 1 (parametro dipendende dalla frazione di elettroni con E > Eion) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 24

25. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Rispetto alle camere a ionizzazione : Sviluppo del segnale in un contatore proporzionale •  tutte le cariche si originano nella regione di moltiplicazione • Tempo di deriva e tempo di moltiplicazione • Contributo induzione ioni primari trascurabile. • Tempo di deriva >> tempo di moltiplicazione (in genere) • moltiplicazione a pochi raggi dal filo • segnale di uscita generato da moto ioni positivi. • Inizialmente ioni positivi si muovono in campo elevato  moto rapido  parte rapida del segnale • Successivamente zona a raggio più grande  moto lento  parte lenta del segnale Come per la camera a ionizzazione a piatti piani paralleli VR=Q/C Valida per RC > tempo raccolta ioni Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 25

26. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali L’ampiezza dell’impulso dipende quindi dalla forma del segnale di uscita. In pratica la condizione RC > tempo raccolta ioni non si verifica mai per i contatori proporzionali Ionizzazione a distanza fissa (tempo di drift costante) Condizione di ionizzazione estesa INOLTRE : il contributo degli elettroni al segnale generato è trascurabile(metà del segnale viene generato a meno di un cammino libero medio dall’anodo) Es. dati a = 25, b = 1cm ed assumendo  = 3  E-/E+  0,02  il contributo del moto degli elettroni al segnale è del 2% Energia assorbita dal moto ionico Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 26

27. Rivelatori di particelle-contatori proporzionali N.B. Dato a=25 m e b=1 cm  metà ampiezza del segnale è raggiunta dopo lo 0.25% del tempo di deriva (una frazione di s) e gli ioni si sono mossi di  480 m dalla superfice del filo Inoltre : quanto detto è valido se la ionizzazione avviene ad un raggio fisso. Se si considera una traccia si ha un ulteriore spread generato dal tempo di drift degli elettroni. Ballistic deficit : parte del segnale perso a causa della formazione. L’effetto è peggiorato dalla distribuzione radiale della ionizzazione Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 27

28. Rivelatori di particelle-sviluppi 1968 : Multiwire Proportional Chamber 1908 : Primo contatore proporzionale Georges Charpak at CERN Hans Geiger – Ernest Rutherford Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 28

29. Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) 1998 : Micro Strip Gas Chamber Anton Oed (Grenoble) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 29

30. Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) Layout del primo prototipo di MSGC Two track resolution & rate capability Struttura delle linee di campo per una MSGC Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 30

31. Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) MSGC PRO • Alta rate ( > 106 Hz/mm2) • Risoluzione spaziale ( 40 m con misura centro di carica) MSGC CONTRO • La rate max è funzione del substrato • Ageing e scariche Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 31

32. Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) Ageing (contaminazione) Passivazione dei catodi per prevenire scariche Rate in funzione del substrato Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 32

33. Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM) 2000 : Gas Electron Multiplier • Deposito di 5 m di rame su substrato di kapton da 50 m. • Diametro dei fori : 80 m • Passo dei fori : 140 m Sauli (CERN) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 33

34. Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) Geometria rivelatore basato su singola GEM Guadagno Guadagno in funzione della dimensione dei fori Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 34

35. Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM) Geometria rivelatore basato su doppia GEM Guadagno GEM1, GEM2, GEM1+GEM2 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 35

36. Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM) GEM PRO • Rate molto alta. • Risoluzione spaziale con centroide di carica  40 m (pitch strips = 200 m). • Risoluzione spaziale con lettura digitale  60 m (pitch strips = 200 m). • Dimensioni  32x32 cm2. CONTRO • Sistema di alimentazione per le alte tensioni complesso. • Scariche sugli elettrodi di readout (il rivelatore non è dannegiato dalle scariche; problemi con l’elettronica di front-end). Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 36

37. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Camera a deriva dell’esperimento KLOE • raggio = 1.9 mt • lunghezza = 3.3 mt • 12582 fili di sense • 37746 fili di campo (rapporto 3:1) • miscela = 90% He-10% iC4H10 • R= 200 m • Z= 0.5 cm Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 37

38. KS KL Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 38

39. Preamplificatore E Rivelatore Amplificatore-Formatore Rivelatori di particelle-elettronica di front-end INTRODUZIONE Rivelatore di particelle Preamplificatore Converte l’energia depositata in una carica elettrica Q=KE Es. Per Si K=278 e/keV Converte la carica Q in una tensione con un contributo minimo di rumore Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 39

40. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Ottimizzazione della risposta di un rivelatore Non sempre possibile (ageing) Misure di energia o di tempo ? • Progettare il rivelatore in modo da massimizzarne la risposta • Ridurre il noise al livello delle sorgenti di rumore • Ottimizzare il filtro del segnale energia tempi Si possono utilizzare pochi elettroni  costante di tempo piccola (< 100 ns) E’ richiesto un tempo di integrazione più grande (> 100 ns) Generatore di corrente con capacità in parallelo Sorgenti capacitive di carica Rivelatori a ionizzazione Rumore espresso in ENC ed è importante solo se contribuisce in uscita al filtro  fondamentale la conoscenza della funzione di trasferimento del filtro utilizzato Rumore serie  legato ai meccanismi di amplificazione. Rumore parallelo  causato da imperfezioni nell’amplificatore o nel rivelatore (correnti di perdita) e ad elementi dissipativi (Rp) connessi all’ingresso Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 40

41. Polo-zero (x rivelatore) Polo-zero (x preamp) Amp Amp Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Risposta del Preamplificatore -inputresponse Energia Formazione unipolare Detectorresponse Misura Tempo Formazione bipolare x eliminare problemi pile-up dovuti alla forma del segnale generato dal rivelatore Valori RfCf piccoli  rumore maggiore Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 41

42. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Pre-rivelatore Rumore rumore ... • 1 m filo  10 pF • strip silicio  1pF/cm primo : Cin pree Criv dovrebbero essere uguali altrimenti rumore in uscita peggiore di un fattore Capacità ingresso Pre Cd  10pF Parallel noise Series noise Capacità rivelatore Per rivelatori ad alta capacitàpossibile utilizzare trasformatore per adattare la Cin del Pre (Cin_trasf = n2Cin_pre, Rin_trasf = Rin_pre/n2) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 42

43. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end secondo: quale stadio di ingresso ? In condizioni ideali (guadagno infinito/ft infinite) • Il segnale di uscita ha la stessa forma del segnale in corrente generato dal rivelatore • Richiesto circuito di cancellazione polo-zero affinché Vu(t) riproduca il segnale in corrente del rivelatore. • Richiesto circuito di cancellazione polo-zero affinché Vu(t) riproduca il segnale in corrente del rivelatore. In condizioni reali • Zin induttiva a causa del polo a s=-1/R1C1 • Zin resistiva e stabile per f<ft [(KT/qIE)(Cc/Cf)]. • Zin resistiva e stabile per f<ft [(KT/qIE)]. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 43

44. H(s) Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Sorgenti di rumore – spettro di potenza Generatore di rumore espresso nel dominio della frequenza dallo spettro in potenza 1 Hz f0 Sorgente di rumore fornisce una potenza in Watt pari alla sua grandezza quando è connessa ad una resistenza di 1 attraverso un filtro ideale con BW= 1Hz centrato in f0 Effetto del filtro sulla risposta del sistema Es. Sorgente di rumore bianco collegata ad un filtro CR (passa alto) Rumore bianco Rumore bianco Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 44

45. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Analisi del rumore Configurazione CF & CA Cin= capacità totale in ingresso W(t) e W’(t) = funzioni peso N.B. Rf CA >> Rf CF  rumore parallelo inferiore Configurazione CB Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 45

46. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Es. transistore con hFE=65 e IC=1 mA ENCT ENCS Amplificatore CF time-invariant Amplificatore CB time-variant • ENC (Cin = 0)  2000 e ( 17 keV per Si)  Pendenza  20 e/pF ( 170 eV/pF per Si) Amplificatore CA Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 46

47. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end terzo: quale filtro ? Formazione CR-RC N.B. se  confrontabile con tempo salita segnale  ballistic deficit Rapporto S/N in funzione del filtro utilizzato (le costanti di tempo sono state selezionate in modo da minimizzare il rumore) Stadio CR seguito da n stadi RC (n  4). Se costanti di tempo uguali Formazione CR-(RC)” Rispetto alla formazione CR-RC  • ritorno più rapido allo zero • migliore S/N Peaking time = n  Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 47

48. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Cancellazione polo-zero Tempo decadimento preamplicatore (caso CA) lungo, ma non infinito Se si usa un filtro CR-RC  undershoot (errore nelle misure di ampiezza o di carica) Circuito cancellazione polo-zero Funzione trasferimento Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 48

49. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Misura dei tempi con un contatore proporzionale Es. Supponendo di avere un sistema composto da • un contatore proporzionale funzionante con una miscela gassosa caratterizzata da un tempo di deriva di 200 ns/cm e da Cdet = 30 pF • un preamplificatore con tr=10 ns con un ENC @ 30 pF  1900 e rms Determinare il guadagno nel gas necessario per ottenere una x 100 m La carica minima richiesta in ingresso al preamplificatore può essere determinata dalla Dal tempo di deriva  t 2ns  Qeff 2x104 e. Se il t0 del gas utilizzato è tale che in 10 ns viene raccolta solo 1/5 della valanga e possiamo raccogliere 2 elettroni  Si richiede un’amplificazione nel gas > 2x104x5/2 = 5x104 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 49

50. Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Primo preamplificatore di carica monolitico 1966 • Tecnologia bipolare con transistori (superbeta) bipolari • Corrente di polarizzazione  50 A • Noise  3000 e rms • tempo di salita  1 s Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici 50