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Test con laser infrarosso di rivelatori a deriva al silicio.

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Presentazione sul tema: "Test con laser infrarosso di rivelatori a deriva al silicio."— Transcript della presentazione:

1 Test con laser infrarosso di rivelatori a deriva al silicio

2 2 Stazione di test Sistema che consente di colpire il sensore in posizioni note con un laser per studiare: Livello di rumore Canali funzionanti / non funzioanti Guadagno dellelettronica di lettura Effetti sistematici di deviazione delle coordinate ricostruite del segnale del laser rispetto alle posizione nota in cui il laser ha colpito il rivelatore Hardware: Motori X, Y, Z con precisione micrometrica controllati via PC Laser Telecamera+TV per allineare il detector rispetto ai motori Sistema di acquisizione: schede e programma di acquisizione sono quelli ufficiali di ALICE

3 3 Modulo SDD lato inferiore cavi LV (alimentazione + segnale) cavo HV cavo wrap-around transition cable

4 4 Modulo SDD lato superiore cavo wrap-around Ibrido con elettronica di front-end (PASCAL-AMBRA)

5 5 Stazione di test (I) Telecamera per allineamento Cooling scheda HV Fibra ottica per portare il laser

6 6 Stazione di test (II) PC di acquisizione e monitoring Alimentatori TV collegata alla telecamera Motor controller Crate NIM per triggerGeneratore di impulsi

7 7 DAQ Pulse generator PC parallel port Motor Controller Data Generator Laser PC Iniettori Injector bit Laser bit Schema logico del trigger

8 8 Polarizzazione del detector Catodo 0 Catodo 291 High Voltage (HV) Medium Voltage (MV) La media tensione (MV~40-45 V) serve a svuotare il sensore nella zona anodica Lalta tensione (HV~2000 V) crea il campo di deriva

9 9 Campo di deriva E drift Variando lalta tensione applicata al catodo 0 si varia il campo elettrico di deriva nel rivelatore. Calcolo del campo elettrico: Media tensione MV appicata al catodo 291 (vicino agli anodi) Alta tensione HV applicata al catodo 0 (al centro) Caduta di potenziale tra due catodi V cat = (HV-MV) / 291 Pitch (= dimensioni catodo) = 120 m E = V cat /Pitch HV (V)MV (V) V cat (V)E (V/cm)

10 10 Lunghezza donda del laser (I) Obiettivo: avere fotoni che attraversano i 300 m di spessore del silicio per simulare il passaggio di una particella carica. Fotoni con energia minore del gap tra banda di valenza e banda di conduzione (1.12 eV) attraversano il silicio senza interagire Fotoni con energia >1.12 eV hanno energia sufficiente per eccitare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione rompendo un legame covalente Al crescere dellenergia il numero di fotoni trasmessi descresce a causa dellassorbimento La lunghezza donda è dellordine di: che è nellinfrarosso vicina al range del visibile

11 11 Lunghezza donda del laser (II) La lunghezza donda del laser deve essere intorno ai 1100 nm NOTA: la frazione di fotoni trasmessi varia rapidamente con lenergia in corrispondenza dellenergia di gap Un fotone con energia alta = lunghezza donda bassa non attraversa tutti i 300 m di silicio, ma rilascia la carica negli strati spuerficiali Un fotone con energia bassa = lunghezza donda alta ha una probabilità alta di attraversare tutto il silicio e potrebbe venire riflesso

12 12 Lunghezza donda del laser (III) = 1060 nm = 980 nm Dai plot della carica raccolta (in scala di colore) in funzione della posizione sul sensore si vede che: Il laser da 1060 nm attraversa lintero spessore del sensore e viene riflesso dalle metallizzazioni del transition cable sottostante Si è scelto di lavorare con il laser da 980 nm

13 13 Ancora sul laser Il laser viene riflesso dalle metallizzazioni presenti sulla superficie superiore del sensore. Per avere un segnale nel rivelatore bisogna posizionare il laser in modo che colpisca nella regione tra le metallizzazioni di due catodi Il passo dei movimenti lungo la direzione di deriva deve quindi essere multiplo di 120 m cathode pitch=120 m metalizzazione zone in cui il laser non è riflesso e si produce un segnale nel sensore

14 14 Allineamento del detector (I) Lallineamento del detector rispetto al piano di movimento dei motori è effettuato usando la telecamera e 4 croci incise sulle metallizzazioni dei catodi #219 NOTA: i motori X e Y non sono perfettamente ortogonali tra loro Correzione con una rotazione di un angolo = rad. A D C B

15 15 Allineamento del detector (II) CCD camera XYZ stages LASER detector Distanza tra lo spot del laser e il centro della telecamera viene misurata facendo una scansione di una delle croci con il laser Δx = ± mm Δy = ± mm La differenza tra la distanza focale del laser e quella della telecamera si ottiene ripetendo la scansione della croce a diverse altezze z Δz = 1.3 ± 0.1 mm

16 16 Segnale del laser (I) Evento in cui il laser colpisce la superficie del rivelatore vicino allanodo 40 Anodo 40

17 17 Segnale del laser (II) Movimento del laser di 9.6 mm lungo la direzione di deriva verso il centro del sensore Distanza dallanodo = 9.6 mm Anodo 40

18 18 Segnale del laser (III) Movimento del laser di 12 mm lungo la direzione di deriva verso il centro del sensore distanza dallanodo = = 21.6 mm Anodo 40

19 19 Segnale del laser (IV) Movimento del laser di 12 mm lungo la direzione di deriva verso il centro del sensore distanza dallanodo = = 33.6 mm Anodo 40

20 20 Allargamento della nuvola elettronica (I) Al crescere della distanza di deriva diminuisce laltezza e aumenta la larghezza del segnale Effetto dovuto a: repulsione coulombiana tra gli elettroni diffusione della carica larghezza nuvola = (2Dt) t = tempo di deriva D = coefficiente di diffusione per cui vale la relazione di Einstein

21 21 Allargamento della nuvola elettronica (II) Solo effetto Coulomb Solo diffusione Risultati dalle SDD di STAR Leffetto di repulsione coulombiana domina per piccoli tempi di deriva Leffetto della diffusione della carica porta a un aumento della larghezza della nuvola elettronica come:

22 22 Coordinata anodica Anode pitch = 1/3.4 = 0.294mm Dalla posizione del centroide (numero di anodo) del segnale ricostruito si risale alla coordinata anodica sapendo che il pitch di ogni anodo è 294 m

23 23 Coordinata lungo la drift Fit lineare al tempo di drift in funzione della posizione nota del laser lungo la coordinata di deriva Dalla pendenza della retta di fit si ricava la velocità di deriva Detector centerAnodes 1 time bin = 25 ns v drift = 1/(4.76*25)= = mm/ns = 8.4 m/ns

24 24 Velocità di deriva vs. anodo Zona centrale: Velocità di deriva più alta Motivo: temperatura più bassa Bordi: Velocità di deriva più bassa Motivo: temperatura più alta dovuta alla vicinanza del partitore di tensione

25 25 Mobilità degli e - vs. anodo Zona centrale: Mobilità più alta Motivo: temperatura più bassa Bordi: Mobilità più bassa Motivo: temperatura più alta dovuta alla vicinanza del partitore di tensione

26 26 Mobilità (I) NOTA: la relazione v= E vale per calori di campo E non troppo alti. Per alti valori di campo elettrico la velocità di deriva satura per effetto dellemissione di fononi e la relazione diventa:

27 27 Mobilità (II) La mobilità delle cariche (diversa per elettroni e lacune) dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di atomi droganti Relazioni empiriche per il silicio:

28 28 Mobilità (III) La mobilità delle cariche (diversa per elettroni e lacune) dipende dalla temperatura e dalla concentrazione [e anche dal tipo] di atomi droganti Andamenti per il silicio: elettroni lacune Temperatura ambiente Doping concentration (top) (mid) (bottom)

29 29 Temperatura stimata vs. anodo Relazione empirica per la dipendenza della mobilità degli elettroni nel silicio dalla temperatura: e T -2.4 Quindi assumendo una mobilità degli elettroni di 1350 cm 2 V -1 s -1 a 20°C si può avere una stima della temperatura come: Il valore 1350 di mobilità è un valore tipico per silicio di tipo n con resistività 3 kOhm ·cm, corrispondenti a una concentrazione di dopanti (fosforo) di cm -3

30 30 Temperatura vs. anodo Zona centrale: Temperatura più bassa Bordi: Temperatura più alta dovuta alla vicinanza del partitore di tensione

31 31 Velocità di deriva vs. temperatura Temperatura ambiente = 21°C + Ventola per raffreddare il detector Temperatura ambiente = 21°C Temperatura ambiente = 29°C vdriftMobilityT detector (°C)

32 32 Velocità di deriva vs. E drift Come atteso, la velocità di deriva cresce al crescere del campo elettrico di drift E drift

33 33 Mobilità degli e - vs. E drift Piccola dipendenza della mobilità da E drift dovuta alla diversa temperatura del sensore nelle diverse misure perché: il calore prodotto dal partitore è maggiore per valori più grandi di HV variazioni di temperatura ambientale tra una misura e laltra (0.5°C)

34 34 Temperatura vs. E drift Piccola dipendenza della mobilità da E drift dovuta al fatto che: il calore prodotto dal partitore è maggiore per valori più grandi di HV variazioni di temperatura ambientale tra una misura e laltra (0.5°C)

35 35 Minimo valore di E Il campo elettrico (e quindi lalta tensione HV) deve essere sufficientemente alto da consentire di raccogliere la carica in un tempo minore i 6.4 s Massimo percorso di deriva = 3.5 cm Minima velocità di deriva = 3.5/6.4 = cm/ s = 5.47 m/ns Mobilità degli e - a 20°C: e = 1350 cm 2 s -1 V -1 E MIN = v min / e = / 1350 = 405 V/cm V cat = 4.86 V Si potrebbe quindi usare la SDD polarizzata a MV = 45, e HV = 1460 V ma… La mobilità diminuisce al crescere della temperatura, quindi lavorando a temperature superiori a 20°C i tempi di deriva supererebbero il limite massimo di 6.4 s

36 Risoluzione spaziale e effetti sistematici

37 37 Risoluzione sulla coordinata anodica (I) Distribuzione della differenza tra coordinata anodica misurata e posizione nota del laser (residuo) RMS risoluzione = 14.5 m

38 38 Risoluzione sulla coordinata anodica (II) Fit gaussiano alla distribuzione dei residui Valor medio compatibile con zero (OK) gaus risoluzione = 11.4 m Scala logaritmica

39 39 Risoluzione sulla coordinata di deriva (I) Distribuzione della differenza tra coordinata lungo la deriva misurata e posizione nota del laser (residuo) RMS risoluzione = 12.6 m !!!! Coda non gaussiana

40 40 Risoluzione sulla coordinata di deriva (II) Fit gaussiano alla distribuzione dei residui Valor medio compatibile con zero (OK) gaus risoluzione = 9.4 m !!! Scala logaritmica

41 41 Risoluzione sulla coordinata di deriva (III) Residui in funzione delle coordinate X e Y sul sensore La coda non gaussiana è dovuta a un effetto di non linearità del partitore vicino agli anodi

42 42 Non linearità del partitore (I) Per alcuni rivelatori il partitore di tensione non genera un campo elettrico uniforme lungo la deriva Lipotesi di dipendenza lineare del tempo dalla distanza di deriva (= velocità di deriva costante per tutto il percorso di drift) non è verificata I residui hanno una dipendenza significativa dalla distanza di drift

43 43 Non linearità del partitore (II) Per alcuni rivelatori il partitore di tensione non genera un campo elettrico uniforma lungo la deriva Lipotesi di dipendenza lineare del tempo dalla distanza di deriva (= velocità di deriva costante per tutto il percorso di drift) non è verificata I residui hanno una dipendenza significativa dalla distanza di drift

44 44 Disomogeneità di drogaggio (I) Se la resistività del silicio (cioè la concentrazione di atomi dopanti) non è uniforme, nel volume di silicio si creano dei campi elettrici parassiti che deviano la traiettoria della nuvola elettronica rispetto alla traiettoria ideale Errore sistematico nella ricostruzione delle coordinate delle particelle Ha effetto sia sulla coordinata lungo la drift che sulla coordinata anodica Effetto presente nei primi prototipi (silici Wacker), ma non in quelli usati in produzione (silici TOPSIL)

45 45 Disomogeneità di drogaggio (II) Residui sulle due coordinate per un rivelatore con disuniformità di drogaggio.

46 Calibrare il rivelatore

47 47 Monitorare la velocità di deriva 3 linee di 33 iniettori (dispositivi MOS) a 3 distanze diverse (3 mm, 17.6 mm e 34 mm )dagli anodi Ogni linea e una strip di metallo depositata sullossido tra due catodi Sotto lossido, in corrispondenza della strip di metallo cè una impiantazione p+ interrotta in 33 punti in cui avviene liniezione In questi punti la carica positiva dellossido provoca un accumulo di elettroni. Applicando un impulso negativo alla linea di metallo gli elettroni accumulati vengono spinti nel volume del rivelatore e driftano verso gli anodi iniettori

48 48 Iniettori (I) Misura della velocità di deriva in 33 punti lungo la coordinata anodica nel corso della presa dati

49 49 Iniettori (II) Misura della velocità di deriva in 33 punti lungo la coordinata anodica nel corso della presa dati

50 50 Iniettori (III) Confronto tra le velocità di deriva estratte dal laser (in blu) e quelle estratte dagli iniettori (in nero) Le due determinazioni risultano compatibili

51 51 Mappature Ognuno dei rivelatori montati nellITS è stato mappato con il laser per misurare gli effetti sistematici dovuti a: disuniformità di drogaggio (presenti in 3 moduli sui 300 testati) non-linearità del partitore Si ricava per ogni rivelatore una mappa di correzione da applicare alle coordinate ricostruite delle particelle misurate in modo da: cancellare gli effetti sistematici mantenere la risoluzione entro i 30 m necessari per tracciare con alta efficienza e precisione

52 Scopo dellesperienza in laboratorio Studio sitematico della velocita di deriva in un rivalatore SDD Allineamento del rivelatore rispetto al laser Misure con il laser: velocita di deriva da una scansione con il laser lungo un anodo (N spari di laser sullo stesso anodo a diverse distanze di deriva) Misura su anodi diversi Misura a diverse tensioni di polarizzazione del rivelatore Misura con/senza ventola di raffreddamento sul sensore Misure con gli Iniettori: Confronto tra determinazione con il laser e con gli iniettori Velocita di deriva in funzione della coordinata anodica … 52


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