La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end"— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

2 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

3 Rivelatori di particelle funzionanti con miscele gassose
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

4 Elettronica di front-end
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

5 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

6 dE/dx (perdita di energia) per ionizzazione tipo di radiazione
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

7 Approssimazione della perdita di energia per ionizzazione
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

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

9 Radiazione Cerenkov a)
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

10 Radiazione di transizione
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

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

12 Interazione dei fotoni con la materia
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

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

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

15 Interazioni nucleari Interazioni deboli
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

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  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

17 Camere a ionizzazione Mobilità IONI
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  = 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

18 Funzionamento in modo impulsivo
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

19 Funzionamento in modo impulsivo
Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Funzionamento in modo impulsivo RC grande (> ms) tutti gli ioni vengono raccolti rivelatore puo’ funzionare solo ad una rate molto bassa 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

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 n0e  Porzione iniziale del segnale ha una salita lineare Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

21 INDUZIONE 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 . Elettroni raggiungono anodo dopo tempo t-=x/v-; ioni raggiungono catodo dopo un tempo t+=(d-x)/v+ Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

22 Camere proporzionali Coefficente di Townsend n(x)=n(0)ex
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

23 Geometria cilindrica Vantaggi
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

24 Problemi connessi agli effetti di moltiplicazione nel gas
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 <  < 1 (parametro dipendende dalla frazione di elettroni con E > Eion) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

25 Rispetto alle camere a ionizzazione :
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

26 Energia assorbita dal moto ionico
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

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

28 1968 : Multiwire Proportional Chamber
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

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

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

31 MSGC MSGC Rivelatori di particelle-sviluppi (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

32 Ageing (contaminazione)
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

33 2000 : Gas Electron Multiplier
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

34 Geometria rivelatore basato su singola GEM
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

35 Guadagno GEM1, GEM2, GEM1+GEM2
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

36 Rivelatori di particelle-sviluppi (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

37 Camera a deriva dell’esperimento KLOE raggio = 1.9 mt
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

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

39 INTRODUZIONE  Q=KE  Rivelatore di particelle Preamplificatore
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 Rivelatore E Preamplificatore Amplificatore-Formatore Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

40 Ottimizzazione della risposta di un rivelatore
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 Rivelatori a ionizzazione Sorgenti capacitive di carica 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

41 Risposta del Preamplificatore -input response
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Risposta del Preamplificatore -input response Energia Formazione unipolare Detector response Misura Tempo Formazione bipolare Amp Polo-zero (x preamp) (x rivelatore) 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

42 Pre-rivelatore Rumore rumore ...
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Pre-rivelatore Rumore rumore ... 1 m filo  10 pF strip silicio  1pF/cm primo : Cin pre e Criv dovrebbero essere uguali altrimenti rumore in uscita peggiore di un fattore Capacità ingresso Pre Cd  10pF Parallel noise Series noise Capacità rivelatore Detector capacitance (pF) Noise value (Pre in capacitance = 5pF) 1 1.3 5 25 500 5.1 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

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

44 Effetto del filtro sulla risposta del sistema
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 H(s) 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

45 Analisi del rumore Configurazione CF & CA Configurazione CB
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

46 ENC (Cin = 0)  2000 e ( 17 keV per Si)
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

47 Formazione CR-RC Formazione CR-(RC)”
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

48 Cancellazione polo-zero
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

49 Misura dei tempi con un contatore proporzionale
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 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

50 Primo preamplificatore di carica monolitico 1966
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

51 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
1966 Caratteristice VTX N. Canali : 6 Tensione di alimentazione 4 V Ingressi : unipolari (segnale e massa) Tensione in ingresso : 0.7 V Zin : 130 ohms Uscite : 6 unipolari (richiesti resistori polarizzazione esterni) Tensione di uscita : 1.0V Zout : 43 ohm Tensione in ingresso : 0.7 V Zin : 130 ohms Guadagno : 1mV/fC (43 ohm load) Tempo di salita : 5 nS Tempo di discesa : 16 nS Range –400/+20 fC Pd : 10 mW/canale Rumore in ingresso : 860 e + 47 e/pF (100 MHz BW) Crosstalk : < 0.5% Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

52 Candidati elettronica FE wire pad chamber (LHC-b)
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end 2000 Modello PNPI SONY ASDQ Tecnologia Componenti discreti SONY bipolare MAXIM Bipolare Resistenza di ingresso 25  80  260  Peaking time (Cdet=0pF) 4 ns 11 ns 8 ns Peaking time (Cdet=100pF) 7 ns 20 ns ENC (Cin=10 pF) 1800 e 1500 e 2300 e Sensitivity (Cdet=0pF) 10mV/fC 5.6mV/fC 3mV/fC Sensitivity (Cdet=100pF) 6mV/fC 3.5mV/fC Radiation Limit 50 kRad 5 MRad Av. Pulsewidth (Cin=100 pF) 60 nS 90 ns 25 ns Baseline restoration no yes Max rate tested 1 MHz 15 MHz Channels/Chip 4 8 Power consumption/channel 59 mW 40 mW Cost per channel 1.7 SFr 4 SFr Candidati elettronica FE wire pad chamber (LHC-b) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

53 Preamplificatori monolitici includono ...
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Preamplificatori monolitici includono ... Stadi di ingresso differenziali formatori baseline restorer discriminatori driver di uscita e ... gadget vari Ma se Cdet > 100 pF ?!?! Q1  guadagno in corrente    guadagno in tensione  gm1re2 ( 1) Q2  guadagno in tensione = RC/re2 Il guadagno in tensione del circuito è  gm RC ( a quello del singolo CE, ma la BW di Q1 è massimizzata). La configurazione cascode permette di raggiungere un tempo di salita di  1.5 ns ed un guadagno di  2.5 mV/fC. Una carica in ingresso Qin dovrebbe essere integrata nel condensatore Cf e generare una tensione in uscita pari a Qin/ Cf. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

54 Vout  Qin/ Cfx con Cfx = Cf + C + 2Ccb+ Cdet/A  Cf + Cdet/A
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end In realtà ... Vout  Qin/ Cfx con Cfx = Cf + C + 2Ccb+ Cdet/A  Cf + Cdet/A C e Ccb si riferiscono a Q1 e A  100 (gm 15mA/V  Ie1=0.4 mA), La tensione di uscita si dimezza per Cdet  40 pF Inoltre Rin troppo alta Ie=1 mA  Rin =1/gm 25  Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

55 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

56 Selezione del dispositivo di ingresso
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Selezione del dispositivo di ingresso Tecnologia Bipolare I dispositivi bipolari offrono: Un GPB=gm/C0 Una bassa Cin Il miglior rapporto gm/I per bassi consumi Ma La corrente di base contribuisce al rumore parallelo  il guadagno in corrente () deve essere alto. La resistenza RBB’ peggiora il rumore serie OK per un tempo di formazione intorno ai ns Tecnologia CMOS Il dispositivo di ingresso non introduce rumore parallelo Le condizioni di lavoro possono essere scelte in modo da massimizzare gm/Id Ma Il rumore 1/f limita le prestazioni a basse frequenze. I dispositivi a canale p hanno rumore 1/f inferiore rispetto ai dispositivi a canale n Fissata una potenza i dispositivi a canale n hanno migliori prestazioni in termini di velocità e rumore Ok per un tempo di formazione nel range 20 ns – 2 s Tecnologia J-FET Molto buona per applicazioni in cui il rumore di bassa frequenza è critico Ma Non può essere facilmente implementata in un circuito monolitico. Tecnologia BICMOS OK per progetti a basso rumore, bassa potenza dissipata ed alta velocità. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

57 Design approach and circuit configuration selection
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Design approach and circuit configuration selection Current mode (transimpedance) preamplifier No pile-up. Very fast. but Additional parallel noise from feedback resistor and current sources. Design procedure Select the input device. Determine the 1/f corner noise frequecy. Determine the corner noise time constant. Size the input device for detector matching. Bias the input device for noise and speed specs Select a circuit configuration Identify parasitic noise contributions. Estimate seconde stage noise sources Clarify the weighting of specs speed-noise-power trade off optimisation Charge (pre)amplifier Best choice for low noise application. Minimum parallel noise. but Needs an additional differentiator stage Pile-up. Gain is determined by on-chip capacitor. Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

58 L’ENC del preamplificatore è bassissimo ma ...
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end L’ENC del preamplificatore è bassissimo ma ... Attenzione ai loop di massa ....!!!!!!! Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici

59 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
quarto problema : che cavi utilizzo ? Il tipo di cavo da utilizzare dipende dal tipo di segnale da trasmettere (analogico/digitale) e (purtroppo) dal costo per canale Nessuno schermo per campi magnetici (configurazione di riferimento) Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end G.Felici


Scaricare ppt "Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end"

Presentazioni simili


Annunci Google