La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory P.O. Box 500 Batavia, IL.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory P.O. Box 500 Batavia, IL."— Transcript della presentazione:

1 L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory P.O. Box 500 Batavia, IL 60510, USA Presentato a: INFN - Lecce, Italia Ottobre 14, 2002

2 Ott G.Chiodini - INFN Lecce2/70 L’obiettivo dell’esperimento BTeV e’ misurare con precisione i parametri del MS e cercare in modo sistematico inconsistenze al fine di scoprire fisica oltre il modello stesso. Se “nuova fisica” verra’ scoperta al Tevatron o a LHC, per poter distinguere tra vari modelli sara’ necessario compiere misure di precisione. –J. Ellis: “My personal interest in CP violation is driven by the search for physics beyond the Standard Model…” Le misure da compiere a tal proposito sono: lati ed angoli del triangolo unitario in modo ridondante ed ad elevata statistica (violazione di CP in B d e B s, B s mixing). Cercare segnali dove il MS non ne prevede (decadimenti rari del b, mixing e viol. di CP nel c). BTeV e’ in grado di fare queste misure

3 Ott G.Chiodini - INFN Lecce3/70 Sommario Motivazioni »Fisica dei sapori »Violazione di CP L’esperimento BTEV »Introduzione »Sistema di tracciamento »Identificazione di particelle »Trigger e DAQ »Status R&D dei rivelatori a pixel al Fermilab »Introduzione »Rivelatore a pixel ibrido »Risoluzione spaziale »Elettronica CMOS 0.25  m »Status Conclusioni

4 Ott G.Chiodini - INFN Lecce4/70 Motivazioni – Fisica dei sapori Matrice CKM e fisica del b Matrice CKM:  0.22 (dec. semileptonico quark s). A  0.8 (dec. semileptonico quark b). VV + =1 unitarieta’: soppressione FCNC 6 triangoli unitari I 4 angoli  ’  determinano la matrice V completamente qLqL W-W- qL’qL’ V qq’ -1/32/3     d s b uc t

5 Ott G.Chiodini - INFN Lecce5/70 Motivazioni – Fisica dei sapori Il triangolo unitario bd   Triangolo unitario bd:  dalla violazione di CP in K.     da V ub /V cb     dal mixing di B d e B s. BaBar e Belle hanno misurato sin(2  )=.79±.1 con CPV nel B d. CDF misurera’ il mixing nel B s. Incertezza significativa nella posizione del vertice: Incertezze teoriche:  m e V ub /V cb Statistica in sin(2  ). ,  MOLTO piu’ difficili da misurare.

6 Ott G.Chiodini - INFN Lecce6/70 Motivazioni – Violazione di CP Ingredienti necessari La simmetria CP e’ violata se la lagrangiana L int contiene accoppiamenti complessi. Il MS esplicitamente viola la simmetria CP attraverso il SOLO parametro  La violazione di CP si misura attraverso assimetrie di decadimento tra paricelle ed antiparticelle. Interferenza tra 2 ampiezze con diversa fase debole e forte

7 Ott G.Chiodini - INFN Lecce7/70 Motivazioni – Violazione di CP Interferenza decadimento-mixing Pais-Treiman Autostati di massa nel sistema neutro B 0 -B 0 Mixing+decadimento generano la seconda ampiezza che interferisce con il decadimento diretto.

8 Ott G.Chiodini - INFN Lecce8/70 Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 1: |f> autostato di CP Mixing box diagrams B 0  K s

9 Ott G.Chiodini - INFN Lecce9/70 Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 2: |f> non autostato di CP B s Mixing B s  D s - K +, B s  D s + K -

10 Ott G.Chiodini - INFN Lecce10/70 Motivazioni – Violazione di CP Contaminazione da diagrammi a pinguino   “Contaminati” da diagrammi a pinguino B 0  K s B 0    B s   K s Teoricamente pulito Tree diagram (  I=1/2,3/2 ) Penguin diagram (  I=1/2 )

11 Ott G.Chiodini - INFN Lecce11/70 Motivazioni – Violazione di CP Analisi di isospin Analisi sul Dalitz plot di B 0       (con un solo  0 ) Tree amplitude = T ij  I=1/2,3/2  Penguin amplitude = P i  I=1/2  Breit-Wigner L’intensita’ del Dalitz plot oscilla nel tempo e dipende da:

12 Ott G.Chiodini - INFN Lecce12/70 Motivazioni – Violazione di CP Ricerca di nuova fisica Nuova fisica e’ messa in evidenza se: . Nuova fisica potrebbe rimanere nascosta se     . BTeV testera’ in modo profondo il MS misurando  : Le asimetrie di CPV dipendono dai modelli: Supersimmetrie Extra multipletti di Higgs Quarta generazione Simmetria LR (W R ) FCNC mediate da Z’ … B s  J/  B s  J/  Mixing: MS vs SUSY Decadimento: MS vs SUSY

13 Ott G.Chiodini - INFN Lecce13/70 BTeV – Introduzione Locazione di BTeV La futura casa di BTeV: la nuova regione d’interazione CZero CDFD0 Main injector 150GeV + recycler antip Tevatron 1TeV Fixed Target Experiments pp ParametroValore E CM 2 TeV L di picco 2  cm -2 s -1 L integrata2 fb -1 /year Bunch crossing132 ns Larghezza RI 50  m Lunghezza RI30 cm 2 Sez. d’urto tot.~ 67 mb Sez. d’urto bb 100  b Sez. d’urto cc > 500  b

14 Ott G.Chiodini - INFN Lecce14/70 BTeV – Introduzione Produzione di beauty Risonanza  o Z 0 Produzione di b-antib alle risonanze e + e - Z0Z0 *** B-factory *** e + (3.1GeV) e - (9GeV) :  b prodotti quasi a riposo Energia vincolata  bb /  tot  1/3 alla  (4s) Processi dominanti nella adroproduzione di b-antib b relativistici Energia variabile  bb /  tot  1/500 B, B s, barioni con b

15 Ott G.Chiodini - INFN Lecce15/70 BTeV – Introduzione BTeV e B-factory B o  +  - ( BR =0.45x10 -5 ) B -  D o  - (Full product BR =1.7x10 -7 ) B s, B c e  b non prodotti ad e + e -  Y(4S)

16 Ott G.Chiodini - INFN Lecce16/70 BTeV – Introduzione Regione “forward” Ridotto Multiplo Scattering B ed antiB nello stesso emisfero (“b tagging”) L=2×10 32 cm -2 s -1 =2

17 Ott G.Chiodini - INFN Lecce17/70 BTeV – Introduzione Lo spettrometro BTeV p p Toroids Misure di p nel trigger. Rivelatore di vertice a pixel. –Trigger con decadimenti adronici Misura di momento –  p/p=1% a 100 GeV. Ecal a cristalli di PbWO 4 –  and  0. Ring Imaging Cerenkov (RICH). –K, , p –Leptoni a basso p –Tagging del sapore. Rivelatore a muoni –Ridondanza nel trigger. DAQ veloce e di alta capacita’ di memorizzazione dati

18 Ott G.Chiodini - INFN Lecce18/70 BTeV – Introduzione ”Tagging” del sapore   efficienza  (N right+ N wrong )/(N tot ) D  diluizione  (N right -N wrong )/(N right +N wrong ) Efficienza effettiva di tagging   D 2 Metodo in ordine decrescente di  D 2 : –Away side K ± –Away side Muoni (da fare con Elettroni). –Same side  ± (per B o ) or K ± (per B s ). –Away side Jet Charge (si sovrappone con ASK e ASM). Ciclare sui metodi, partendo da quello piu’ effettivo, e fermarsi quando si ha una risposta.  D 2 (B o ) = 0.10,  D 2 (B s ) = 0.13 differenza dovuta al “same side tagging”

19 Ott G.Chiodini - INFN Lecce19/70 BTeV – Introduzione Misura della matrice CKM (10 7 sec) J/  l + l - Reaction B (B)(x10 -6 ) # of EventsS/B Parameter Error or (Value) Bo+-Bo+ ,600 3 Asymmetry B s  D s K  8 o B o  J/  K S J/  l + l  , sin(2  ) B s  D s  ,000 3 x s (75) B -  D o (K +  - ) K B -  D o (K + K - ) K ,000>10  13 o B-KS -B-KS  ,600 1 <4 o + B o  K +  ,  theory errors Bo+-Bo+- 28 5, BoooBooo  ~4 o B s  J/  330 2, B s  J/  670 9, sin(2  0.024

20 Ott G.Chiodini - INFN Lecce20/70 BTeV – Introduzione Decadimenti rari (10 7 sec) Reaction B (10 -6 ) Signal S/BPhysics B o  K* o  +  polarization & rate B-K-+-B-K-+ rate bs+-bs+ rate: Wilson coefficents

21 Ott G.Chiodini - INFN Lecce21/70 BTeV – Introduzione BTeV e B-factory “New Physics” modes Mode BTeV (10 7 s) B-fact (500 fb -1 ) YieldTaggedS/BYieldTaggedS/B B s  J/   > B-K-B-K > BoKsBoKs B o  K*  +  ~50 3 Bs +-Bs + >15 0 Bo+-Bo+ >10 0 D *+   + D o, D o  K  + ~10 8 large 8x10 5 large

22 Ott G.Chiodini - INFN Lecce22/70 BTeV – Introduzione BTeV e LHCb I LHC ha 5x sezione d’urto e 1.6x S/B. BTeV ha rivelatore di vertice in campo magnetico –Rimuove tracce a basso p nel trigger (alto multiplo scattering) BTeV e’ progettato attorno ad un microvertice a pixel –Bassa occupanza, basso rumore, facile “pattern recognition” –Permette di determinare la presenza di vertici secondari per il trigger di primo livello. –Importante per accumulare grande statistica nei decadimenti rari del beauty e charm. –Permette di prendere dati con piu’ interazioni per crossing. BTeV ha un ECAL di ottima qualita’ BTeV intende registrare su disco 5x b/sec

23 Ott G.Chiodini - INFN Lecce23/70 BTeV – Introduzione BTeV e LHCb II (10 7 sec) Mode BR YieldS/B Yield S/B B s  D s K - 3.0x Bo+-Bo+- 2.8x BoooBooo 0.5x not known BTeV LHC-b

24 Ott G.Chiodini - INFN Lecce24/70 BTeV – Sistema di tracciamento Rivelatore di vertice a pixel Rivelatore ibrido a pixel Readout chip Sensor Rivelatore di vertice planare Bump Facile ricostruzione delle tracce con misura di punti nello spazio (x,y,z) Resistenza alla radiazione (2  particelle cm -2 y -1 ) Ridotto affollamento di hit ed elevato S/N

25 Ott G.Chiodini - INFN Lecce25/70 Multichip module 50  m 400  m 5 cm 1 cm Si pixel sensors sensor module 5 chips di readout 128 rows x 22 columns 14,080 pixels (128 rows x 110 cols) BTeV – Sistema di tracciamento Rivelatore di vertice a pixel: assemblaggio mezza stazione HDI flex circuit Wire bonds Sensor module Readout module Bump bonds Pixel detector half-station

26 Ott G.Chiodini - INFN Lecce26/70 BTeV – Sistema di tracciamento Rivelatore di vertice a pixel: sistema meccanico Rivelatore assemblato in due meta’. Attuatori pneumatici muovono le due meta’ in (x,y): –Pixel allontanati durante il caricamento dei bunch p- antip. No beam pipe: –Rivelatore nel vuoto –schermato dal fascio con un sottile foglio di Al. Collegamenti elettrici con PCB sigillate mediante O-ring.

27 Ott G.Chiodini - INFN Lecce27/70 BTeV – Sistema di tracciamento Rivelatore di vertice a pixel: assemblaggio rivelatore di vertice Half station Flex cables Feedthrough Board Connectors to Data Combiner Board Cooling pipe Test di degasamento nel vuoto fatto con 10% del rivelatore assemblato: Panelli di Al a –160°C hanno permesso di raggiungere ~10 -9 torr per qualsiasi T delle stazioni di pixel Cable heat sink

28 Ott G.Chiodini - INFN Lecce28/70 BTeV – Sistema di tracciamento Forward tracker: Straw + SSD Occupanza delle straw con b-antib Rivelazione Ks e  Proiettare tracce nel RICH, EMCAL, Riv a muoni Scelta tecnologica conservativa (CDF/D0 ed esperimenti a LHC): –Straw a grande angolo –Microstrip di silicio vicino ai fasci

29 Ott G.Chiodini - INFN Lecce29/70 BTeV – Sistema di tracciamento SMD (Silicon Microstrip detector) Readout sparsificato ad ogni bunch crossing. Nessuna informazione di carica. Sensori: –p/n –300  m di spessore –100  m di passo –7x7 cm 2 Vista assemblata con 4 ladder.

30 Ott G.Chiodini - INFN Lecce30/70 BTeV – Sistema di tracciamento SMD (Silicon Microstrip detector) Struttura leggera di C per sostenere i 4 ladder che formano un piano Apertura diagonale per montaggio lungo la beam pipe Tubi di raffreddamento sul lato posteriore 3 viste (x,u,v) per stazione. Viste sovrapposte e agganciate mediante pin di bloccaggio ad elevata precisione.

31 Ott G.Chiodini - INFN Lecce31/70 BTeV – Sistema di tracciamento Straw Vista di misura a tre strati. 3 viste (X,U,V) per stazione. Misura del tempo di drift. Diametro straw 4 mm. Film esterno: kapton. Strato di Al conduttivo. Film interno: kapton+C.

32 Ott G.Chiodini - INFN Lecce32/70 BTeV – Sistema di tracciamento Efficienza delle straw GasHVEventiEff.e - thr Ar-CO 2 (80-20) % % % %2 Ar-Ethane ( %ethanol) % % %3 Misure di efficienza dei prototipi di straw costruiti al Fermilab.

33 Ott G.Chiodini - INFN Lecce33/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH L’identificazione di particelle e’ necessaria in un esperimento di fisica del b. Separare  p necessaria tra 3 e 70 GeV. - Limite inferiore determinato dal magnete - Limite superiore dovuto alla cinematica del decadimento a due corpi del B.

34 Ott G.Chiodini - INFN Lecce34/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: radiatore 3 GeV 9 GeV 18 GeV No separazione K/p sotto 9 GeV nel gas!  un 2 0 radiatore C 4 F 10 gas n= C 5 F 12 liquid n=1.24 Aerogel n=1.03 Particelle cariche assorbite dal magnete Aerogel del proposal 2000 scartato dopo accurate simulazioni C 4 F 10 usato da DELPHI, HERA-B, HERMES, COMPAS, … C 5 F 12 – usato come gas da DELPHI (punto di eboll C); studiato allo sato liquido nel laboratorio. ---  --- K --- p

35 Ott G.Chiodini - INFN Lecce35/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: layout Gas Radiator C 4 F 10 Liquid Radiator C 5 F 12 ss ss HPDs or MAPMTs Mirror Array beam pipe PMT tradizionali 3” Mirror Focused Gas Radiator RICHProximity Focused Liquid RadiatorRICH + particle

36 Ott G.Chiodini - INFN Lecce36/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: sensori attivi per radiatore a gas  ee quartz kV kV kV 0 kV Diodi di Silicio con 163 pixels Connection pins 3.4” 0pe 1pe 2pe 3pe BTeV HPD 18.0 R5900-M16 R8900-M16 R7600-M16: no outer insulating layer Nuovo Multi-anodo PMT: – nuova focalizzazione sul primo dinodo – area attiva 85%, 45% in R7600, 36% in R5900 – non c’e’ bisogno di lenti Fotodiodi ibridi – Segnale = 5000 e - – HV = 20kV, 19.89kV, 15.83kV – Sensibili a B perp

37 Ott G.Chiodini - INFN Lecce37/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: specchi per radiatore a gas 6 mm glass (4.7% of X 0 ) 2.2 mm glass + CF + foam (2.2% of X 0 ) CF alone (~1-2% of X 0 ) Turnov, Czech Republic (COMPASS) Circa la giusta dimensione e curvatura. Buona qualita’. Verra’ usato nel test su fascio del CMA, Tuscan, AZ Curvatura sbagliata. Piu’ R&D e soldi per prototipi. Altre tecniche da esplorare: per esempio: specchi Hades glassy-carbon – “Sigradur” 0.8% di X 0 Materiale minimo per non degradare lo ECAL.

38 Ott G.Chiodini - INFN Lecce38/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: risoluzione angolo Cherenkov RadiatorC 4 F 10 C 5 F 12 n Per photon Cherenkov angle resolution Chromatic0.45 mrad in visible wavelengths! 3.7 mrad Emission point0.53 mrad mirror tilt 0.4 mrad Photodetector segmentation 0.45 mrad (cost!) 5.5 mm hex 5.3 mrad 3” round Total0.83 mrad6.2 mrad Per trackPhotons Resolution0.10 mrad1.9 mrad Separation Mid momentum 17.8  35 GeV K/  6.4  6 GeV K/p High momentum 4.4  70 GeV K/  2.8  9 GeV K/p

39 Ott G.Chiodini - INFN Lecce39/70 BTeV – Identificazione di particelle RICH: Simulazioni Radiatore liquido Migliora il tagging effettivo (  D 2 ) di ~25% per B S e ~10% per B 0 Radiatore a gas Per estrarre  da B S  D s K bisogna soppirmere B S  D s  HPD hits B0KB0K

40 Ott G.Chiodini - INFN Lecce40/70 BTeV – Identificazione di particelle Calorimetro elettromagnetico Il calorimetro elettromagnetico deve identificare: singoli  : B  K* ,…  0 : B ,…  e  ’: B s  J/  , B s  J/  ,… Elettroni: B  J/  K s, B  Xll, B  Xl ,… E’ necessario un calorimetro di elevata qualita’ : ECAL a Cristalli di PbWO 4 : Tecnologia sviluppata da CMS Resistenti alla radiazione (10Mrad) Scintilllazione veloce (15ns 60%) Lettura con fototubi (B=0) cristalli 2.7x2.7x22cm 3 Geometria proiettiva Campione di cristallo PbWO 4.

41 Ott G.Chiodini - INFN Lecce41/70 BTeV – Identificazione di particelle Calorimetro elettromagnetico : test su fascio a Protvino Prestazioni simili a quelle del ECAL di CLEO/BaBar/BELLE ad un collisionatore adronico! 5X5 blocchi di PbWO 4 di Bogoriditsk usato al test su fascio a Protvino Prototipo di supporto meccanico di Al (celle in fibra di carbonio come in CMS troppo costose)

42 Ott G.Chiodini - INFN Lecce42/70 BTeV – Identificazione di particelle Calorimetro elettromagnetico : calibrazione Confermata resistenza alla radiazione e parziale recupero dopo l’esposizione Segnale dipendente dal rate LED con diversi colori usati per periodica calibrazione Ogni cristallo avra’ le sue curve di calibrazione (Gy)

43 Ott G.Chiodini - INFN Lecce43/70 BTeV – Identificazione di particelle Calorimetro elettromagnetico : simulazioni B o  9.9x10 6 eventi di background B o  +  - S/B = 4.1 B o  o  o S/B = 0.3   oo fondo segnale m B (GeV)

44 Ott G.Chiodini - INFN Lecce44/70 BTeV – Identificazione di particelle Rivelatore di muoni ru v  Trigger      Calibra il trigger principale  Misura di p “stand-alone”  Efficienza>80% con reiezione di “minimum bias” >500  Stazione di ottanti sovrapposti  4 viste per stazione (r, u, v, r) 12 “plank” per ottante

45 Ott G.Chiodini - INFN Lecce45/70 BTeV – Identificazione di particelle Rivelatore di muoni: ”plank” di tubi proporzionali Modulo (detto “plank”) di due strati di tubi proporzionali (diametro=3/8”, spessore=0.01”). Rumore misurato vicino al limite teorico (2 fC) Plank efficiency > 99% Gas: 85% Ar – 15% CO 2 Plateau from 1.6kV to 1.75kV Voltage (Volts) Test stand per raggi cosmici Frazione di eventi con un solo tubo

46 Ott G.Chiodini - INFN Lecce46/70 BTeV – Trigger e DAQ Architettura L2/3~2500 Linux PC 1.5 TB/s7.6 MHz L1 rate reduction: ~100x L2/3 rate reduction: ~20x 4 KHz

47 Ott G.Chiodini - INFN Lecce47/70 BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 1 0 livello: algoritmo Pixel “esterni” Pixel “interni” Segmenti “interni” Segmenti “esterni” p p Evento accettato se 2 o piu’ tracce soddisfano: Efficienza > 50% Reiezione min. bias  100

48 Ott G.Chiodini - INFN Lecce48/70 BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 1 0 livello: architettura 30 station pixel detector FPGA segment trackers Merge Trigger decision to Global Level 1 Switch: sort by crossing number track/vertex farm (~2500 processors) (~500 FPGA)

49 Ott G.Chiodini - INFN Lecce49/70 BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 1 0 livello: prestazioni prototipo Velocita’ di esecuzione normalizzata rispetto a DSP TIC6711 Prototipo di track/vertex farm realizzato con DSP TIC6711

50 Ott G.Chiodini - INFN Lecce50/70 BTeV – Status Storia Gennaio 1999: programma di R&D approvato dal Lab. Giugno 2000: approvazione Stage I.  Spettrometro a due bracci. Inverno 2001: La situazione fondi si deteriora.  Il Lab chiede un proposal per un rivelatore con un braccio.  La RI riusera’ componenti di CDF/D0.  Maggio 2002: approvazione Stage I del rivelatore con un braccio.  Un braccio solo strumentato (almeno inizialmente).  PAC raccomanda al laboratorio di esplorare altre soluzioni per la RI.  Calcolo offline attraverso universita’ (GRID).  Costo ridotto da circa 180M$ a circa $110M. Ottobre 2002: Temple review interna al Lab.

51 Ott G.Chiodini - INFN Lecce51/70 BTeV – Status Futuro Inverno 2002: DOE review mediante commissione P5. –Essenziale per ottenere grossi finanziamenti Primavera 2003: Lehman baseline review : Fondi per la costruzione. –Installare componenti di test per aquisire esperienza reale. –Installazione a stadi per completare la costruzione in anticipo. 2008: Inizio presa dati.

52 Ott G.Chiodini - INFN Lecce52/70 Pixel a FNAL – Introduzione Microstrip e Pixel di silicio I rivelatori a microstrip hanno avuto un impatto decisivo nella fisica dei quark pesanti: Misura vita media dello D (CERN, E687-FOCUS a FNAL, …). Misura vita media del B( LEP,SLD,CDF,D0,…). Scoperta del quark top a CDF (b-tagging). Vantaggi microstrip: Elettronica ai lati Poco materiale. Vantaggi pixel: Punto di misura nello spazio. Basso rumore (ridotta C in e I dark ). Resistenza alla radiazione. I pixel sono essenziali nel tagging dei sapori pesanti (c,b  a LHC e al Next Linear Colliner

53 Ott G.Chiodini - INFN Lecce53/70 Pixel a FNAL – Pixel ibrido Rivelatore ibrido: matrice di diodi + matrice di celle di elettronica: Sviluppo e ottimizzazione indipendenti del sensore e del chip di lettura. Sono richiesti circa 5000 bump-bonding per cm 2 per connettere le celle del sensore con le celle di readout (flip chip technique). Metalli per il bump: Indio (In) e lega SnPb Under Bump Metal (Cr, TiW, Cu, Au, …): strato di adesione,barriera di diffusione e prevenzione dell’ossidazione Caratteristiche del processo di bonding: 1.Indio : bump su entrambi i lati, evaporazione, temperatura ambiente, pressione. 2.Lega SnPb: bump su un solo lato, electroplating, alta temperatura, reflow.

54 Ott G.Chiodini - INFN Lecce54/70 Pixel a FNAL – Pixel ibrido Sensori n + /n/p resistenti alla radiazione V dep = potenziale di svuotamento, d=spessore del rivelatore,  = costante dielettrica, N eff = concentrazione portatori maggioritari type inversion Tecnologia n + /n/p Funzionanti parzialmente svuotati dopo l’inversione del tipo di portatori Struttura multi-guard ring No corrente di superfice sul cut-edge

55 Ott G.Chiodini - INFN Lecce55/70 low resistivity high resistivity SINTEF p-stop ATLAS TESLA mod. p-spray Pixel a FNAL – Pixel ibrido Tecnologia p-stop e pspray L’isolamento inter-pixel e’necessario per interrompere il canale di e - indotto da SiO 2

56 Ott G.Chiodini - INFN Lecce56/70 Pixel a FNAL – Pixel ibrido Elettronica di lettura: schema a blocchi Registri di mascheramento e iniezione di carica. 4 timestamp nella logica di colonna. Architettura a colonna e “data driven” (No trigger). Serializzatore dati ad alta velocita’ 1,2,4, o 6 linee 140 Mbit  s -1  linea -1 V e I programmabili con DAC sul chip. Segnali I/O di tipo LVDS uscite “point to point” controlli su un bus comune Indirizzamento assoluto usato per programmare il chip.

57 Ott G.Chiodini - INFN Lecce57/70 Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Prototipi equipaggiati con FPIX0 e FPIX1 FPIX0 64x12cells 8 bit external ADC FPIX1 160x18cells 2 bit internal FADC ST1-CiS p-stop ST2-CiS p-spray Bonded active area 3.2x4.4mm 2 Two ST1-Seiko p-stop ST2-Seiko p-spray Bonded active area 8x6.8mm : FPIX0, HP 0.8 um CMOS – front-end a due stadi, uscita analogica della carica. 1998: FPIX1, HP 0.5 um CMOS – front-end a due stadi, 2 bit FADC/cella, veloce R/O senza trigger.

58 Ott G.Chiodini - INFN Lecce58/70 Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Test su fascio 1999 Test con fascio di pioni a 227 GeV ( multi. scatt.  1.2  m ). Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a microstrip di Si( risoluzione  2  m non deconvoluta dai dati ). Target 3.2 mm X 4.8mm 7.2 mm X 8.0 mm Interazione ricostruita nei piani di pixel: densita’ di tracce 10 volte superiore a quella di BTeV

59 Ott G.Chiodini - INFN Lecce59/70 Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Risultati (test su fascio 1999) FPIX0 pstop (8bit) Q th =2500e - FPIX0 pspray (8bit) Q th =2200e - FPIX1 pstop (2bit) Q th =3780e - Nel caso del sensore p-spray (vecchio tipo) la perdita di carica peggiora la risoluzione spaziale in modo significativo. La risoluzione si degrada meno di 1 um passando da 8 bit (nominali) a 2 bit.

60 Ott G.Chiodini - INFN Lecce60/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Motivazione In CMOS radiazione ionizzante crea centri di “trapping” per lacune nel SiO 2 : – V th shift. – I Leakage in un MOS e tra MOS. Gate sottili: – rimozione lacune per tunnel elettronico quantistico se t ox <6nm. Regole di layout (RD49): – NMOS senza bordo (no MOS parassiti). – NMOS con guard ring (no I Leakage tra MOS). Caratteristiche di “deep submicron”: – Alta densita’, buona velocita’, basso rumore, bassa potenza, alto yield e basso costo.  eccellente per pixel Enclosed geometry Linear geometry S G D DS G

61 Ott G.Chiodini - INFN Lecce61/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Elettronica di lettura: Front-end FE ottimizzato per 132 ns di BCO. Compensazione DC di I leakage in DSM. Flash ADC/cella a 3 bit. 1999: PreFPIX2_T, matrice 2x160, TSMC 0.25 um CMOS Risposta analogica dell’amplificatore di carica prima e dopo esposizione  (33 Mrad) fatta mediante una sorgente di Co 60 ad Argonne.

62 Ott G.Chiodini - INFN Lecce62/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Test di radiazione con protoni a IUCF: Setup 2000: 4 preFPIX2_I, matrice 18x32, CERN 0.25 um CMOS. 5 preFPIX2_Tb, matrice 18x32, 14 x 8 bit DAC, TSMC 0.25 um CMOS. 2002: Data output interface e LVDS driver, TSMC 0.25 um CMOS. 2.5V Power Supplies LVDS driver board Laptop LVDS driver board PCI- PTA Card GPIB 100 foot twisted cable 200 MeV Protons Concrete walls Devices Under Test Test fatti in aria. No filtri. Flusso=2·10 10 pcm -2 s cm beam (90%) misurato con film sensibile Allineamento Laser Monitoraggio con video remoto. Dosimetria : Coppa di Faraday SEEM

63 Ott G.Chiodini - INFN Lecce63/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Effetti dose totale: Risultati Distribuzione del rumore tra celle del chip piu’ irragiato Distribuzione di soglia tra celle del chip piu’ irragiato Tutte le 4032 celle testate di Front-End hanno funzionato prima e dopo l’irraggiamento.

64 Ott G.Chiodini - INFN Lecce64/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Effetti dose totale: Risultati Time walk dopo l’irragiamento. Q over-drive =150e - TW = 130 ns Non linearita’ del DAC che stabilisce la soglia del chip per diverse dosi

65 Ott G.Chiodini - INFN Lecce65/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Single Event Effect Adroni producono particelle secondarie di piccolo range e elevata carica rilasciando una grande energia. A)Gate Rupture (SEGR): Danneggiamento totale o parziale del dielettrico del gate a seguito di una moltiplicazione a valanga. B)Latch-up (SEL): Accensione di un MOS (parassita) che produce una elevata corrente. C)Upset (SEU): Cambiamento di uno stato in corrispondenza di un nodo circuitale sensibile Bit flip: 1  0 Short Circuit!

66 Ott G.Chiodini - INFN Lecce66/70 Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25  m Single Event Effect : Risultati Nessun evento catastrofico (gate rupture, latch up…) osservato –Il rate e’ garantito essere accettabile per BTeV. Sezione d’urto d’errori logici soft (single event upset) misurata da 1 a 6x cm 2 bit -1 per registri statici. circa 2x cm 2 bit -1 per registri a 140 MHz di clock Rate di SEU in un ora nello intero rivelatore di vertice a pixel alla luminosita’ nominale di L=2x10 32 cm -2 s -1.  Non c’e bisogno di logica ridondante o altre complicazioni

67 Ott G.Chiodini - INFN Lecce67/70 Pixel a FNAL – Resistenza alla radiazione Rivelatore rad-hard preFPIX2Tb Xray sources [e - ] Tb, Ag, Rb Pulser relative calibration [V] CiS-moderated-pspray

68 Ott G.Chiodini - INFN Lecce68/70 Pixel a FNAL – Status Sensori a pixel per BTeV Tesla moderated p-spray sviluppati dalla collaborazione ATLAS Il substrato di Silicio e’ ossigenato Danneggiamento rispetto a protoni diminuisce (ROSE:RD48) Ogni wafer contiene: 1 sensori a “4-chip” 3 sensori a “6-chip” 3 sensori a “5-chip” 2 sensori a “8-chip” 5 sensori a “1-chip”

69 Ott G.Chiodini - INFN Lecce69/70 Pixel a FNAL – Status FPIX2 chip FPIX2 verra’ sottomesso alla fine del mese (Oct. ‘02): –TSMC (Taiwan Semic. Man. Corp.) –0.25um CMOS, 5 metalli, 2.5V. –Layout “Rad-Hard”. –Dimensioni e funzionalita’ richieste da BTeV. La sottomissione e’ basata sugli ottimi risultati dei piccoli prototipi realizzati e testati. 1 riga di 70 pad per lo “wire bonding”. Numero di identificazione del chip sul modulo fatto con “bond pad” interni. 22 cols by 128 rows Test outputs Chip periphery Internal bond pads for Chip ID

70 Ott G.Chiodini - INFN Lecce70/70 Conclusioni 1.BTeV e’ un esperimento tecnologicamente aggressivo ma fattibile con la tecnologia esistente. 2.Sostanziali R&D sono avviati in tutte le componenti di BTeV, in particolare in parti cruciali dell’esperimento quali i pixel, il Trigger di 1 0 L e il calorimetro e.m. 3.Test su fascio dei vari rivelatori alla “Meson area” del Fermilab dagli inizi del Prototipi di rivelatori a pixel, soddisfacenti alle richieste di BTeV, sono stati realizzati a FNAL : »Elevata risoluzione spaziale. »Resistenza alla radiazione. »Elevata velocita’ di lettura. Ora e’ necessario affrontare le problematiche relative alla costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo e robusto. “Yield” delle sue varie componenti. Un leggero e retrattile supporto meccanico e di raffredamento da installare e cablare in alto vuoto. BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003


Scaricare ppt "L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory P.O. Box 500 Batavia, IL."

Presentazioni simili


Annunci Google