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Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end.

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

3 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 3 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) Indice degli argomenti trattati

4 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 4 Elettronica di front-end Sistema rivelatore-preamplificatore Sorgenti di rumore e tipi di misure Risposta del preamplificatore Valore ottimale C in 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 C det Indice degli argomenti trattati

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-endG.Felici 5 Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

6 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 6 dE/dx (perdita di energia) per ionizzazione tipo di radiazione energia delle particelle tipo di materiale Equazione di Bethe-Bloch Effetto relativistico (contrazione di Lorentz nella coordinata x) causa aumento densità del mezzo (10% solidi/50% gas) Perdita di energia per ionizzazione normalizzata per argon liquido (densità = 1.4x10 3 kg/m 3 ) Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle Minimo per 3.5 I= potenziale di ionizzazione (13.5 eV gas / 1 keV piombo)

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

8 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 8 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 dallindice di rifrazione del mezzo Spettro energetico continuo; una frazione significativa è nel visibile Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

9 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 9 Radiazione Cerenkov Esempio : dato lindice di rifrazione per lacqua = 1.33 determinare : a)La soglia in energia nel caso di un elettrone incidente per generare la radiazione Cerenkov. b)Langolo di emissione della radiazione Cerenkov per un elettrone da 500 MeV nellacqua a) b) Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

10 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 10 Radiazione di transizione E la radiazione emessa quando una particella carica relativistica attraversa il confine tra due mezzi. Può essere pensata come generata dallaccellerazione apparente della particella dovuta al cambiamento nellindice 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. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

11 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 11 Bremsstrahlung Elettroni e positroni, come conseguenza della massa ridotta, perdono energia anche per bremsstrahlung (braking radiation) nellattraversare 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 lenergia di un elettrone è ridotta di un fattore 1/e per Bremsstrahlung (dE/E=-dx/ 0 ). Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

12 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 12 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 dellelettrone estratto è E k max = hf- con = potenziale di estrazione del metallo Esempio : Qualè lenergia associata ai fotoni con lunghezza donda 400 nm < < 700 nm (visibile) Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

13 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 13 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 dellenergia del. Parte dellenergia iniziale è sempre mantenuta dal fotone incidente Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

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

15 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 15 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 uninterazione anelastica con un nucleo. Interazioni deboli Il neutrino nellattraversare 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 durto di un neutrino da 100 GeV è 9 ordini di grandezza più piccola di quella di un neutrone sarebbero necessari 10 9 m cemento per assorbirlo Per rivelare direttamente i neutrini è necessario un fascio intenso di queste particelle incidente su un rivelatore di grandi dimensioni. Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle

16 Raccolta di tutte le cariche create per ionizzazione diretta attraverso lapplicazione 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 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 16 Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Camere a ionizzazione Costante empirica che moltiplicata per la varianza produce il valore osservato La carica raccolta dipende anche da fenomeni di ricombinazione (sia iniziale che nel volume del rivelatore)

17 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 17 Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Camere a ionizzazione IONI Cammino libero medio (NO campo elettrico) – m Con campo elettrico v drift = ( /P) costante per ampi range di e P; tipicamente = m 2 atm/(Vs) Es. P=1 atm, =10 4 V/m v drift 1 m/s 1 ms per attraversare 1 cm. ELETTRONI Massa elettroni inferiore v drift elettr v drift ioni tempo raccolta elettroni s Mobilit à

18 Funzionamento in DC Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 18 Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione Viene misurata la corrente di ionizzazione. Per misurare piccole correnti di ionizzazione tecnica di integrazione della carica su un periodo di tempo T. Funzionamento in modo impulsivo Si guadagna in sensibilità nella misura dellenergia 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 (V 0 ) con =RC

19 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 19 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

20 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.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 CV 2 ) Energia necessaria per il moto delle cariche = Q n0en0e Variazione nel potenziale elettrico = E x distanza attraversata Energia iniziale = energia assorbita dagli ioni + energia assorbita dagli elettroni + energia rimanente Porzione iniziale del segnale ha una salita lineare 2V 0 VRVR V R /d

21 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 21 Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione INDUZIONE un percorso di deriva pari a v + t genera una caduta di potenziale nella camera pari a n 0 ev + t/dC. Stesso effetto si avrebbe riducendo la carica immagazzinata in una capacità C di una quantità n 0 ev + t/d si può immaginare che il moto ionico induca una carica n 0 ev + t/d. Elettroni raggiungono anodo dopo tempo t - =x/v - ; ioni raggiungono catodo dopo un tempo t + =(d-x)/v + Ampiezza impulso funzione della posizione (x) in cui sono stati generati gli elettroni

22 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 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 dellordine di 10 6 V/m n(x)=n(0)e x Coefficente di Townsend Regioni di funzionamento di un rivelatore a gas Energia delle particelle incidenti

23 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 23 Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Geometria cilindrica Vantaggi 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 = 5.18x10 6 V/m. Per ottenere lo stesso campo con una geometria a piatti paralleli spaziati di 1 cm servirebbe una ddp di circa 52 kV !!!

24 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 24 Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Effetti di carica spaziale Problemi connessi agli effetti di moltiplicazione nel gas Contributo dovuto alla fluttuazione del numero di primari Contributo dovuto alla fluttuazione del fattore di moltiplicazione per singolo elettrone Campi elettrici bassiCampi elettrici elevati (Polya) 0 E ion )

25 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 25 Rivelatori di particelle-contatori proporzionali Rispetto alle camere a ionizzazione : Sviluppo del segnale in un contatore proporzionale Come per la camera a ionizzazione a piatti piani paralleli V R =Q/C Valida per RC > tempo raccolta ioni 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

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

27 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.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. Leffetto è peggiorato dalla distribuzione radiale della ionizzazione

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

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

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

31 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 31 Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC) MSGC PRO Alta rate ( > 10 6 Hz/mm 2 ) Risoluzione spaziale ( 40 m con misura centro di carica) MSGC CONTRO La rate max è funzione del substrato Ageing e scariche

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

33 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 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)

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

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

36 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 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 cm 2. CONTRO Sistema di alimentazione per le alte tensioni complesso. Scariche sugli elettrodi di readout (il rivelatore non è dannegiato dalle scariche; problemi con lelettronica di front- end).

37 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 37 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Camera a deriva dellesperimento KLOE raggio = 1.9 mt lunghezza = 3.3 mt fili di sense fili di campo (rapporto 3:1) miscela = 90% He-10% iC 4 H 10 R = 200 m Z = 0.5 cm

38 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 38 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end KLKL KSKS

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

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

41 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 41 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Risposta del Preamplificatore Amp Polo-zero (x preamp) Amp Polo-zero (x rivelatore) Valori R f C f piccoli rumore maggiore x eliminare problemi pile- up dovuti alla forma del segnale generato dal rivelatore Misura Energia Tempo Formazione unipolare Formazione bipolare -input response Detector response

42 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 42 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Rumore rumore... 1 m filo 10 pF strip silicio 1pF/cm Parallel noise Series noise Cd 10pF primo : C in pre e C riv dovrebbero essere uguali altrimenti rumore in uscita peggiore di un fattore Detector capacitance (pF) Noise value (Pre in capacitance = 5pF) Pre-rivelatore Capacità rivelatore Capacità ingresso Pre Per rivelatori ad alta capacità possibile utilizzare trasformatore per adattare la C in del Pre (C in_trasf = n 2 C in_pre, R in_trasf = R in_pre /n 2 )

43 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 43 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end secondo: quale stadio di ingresso ? Il segnale di uscita ha la stessa forma del segnale in corrente generato dal rivelatore In condizioni ideali (guadagno infinito/f t infinite) Richiesto circuito di cancellazione polo-zero affinché V u (t) riproduca il segnale in corrente del rivelatore. In condizioni reali Zin induttiva a causa del polo a s=-1/R 1 C 1 Zin resistiva e stabile per f

44 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 44 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Generatore di rumore espresso nel dominio della frequenza dallo spettro in potenza 1 Hz f0f0 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 f 0 H(s) Effetto del filtro sulla risposta del sistema Es. Sorgente di rumore bianco collegata ad un filtro CR (passa alto) Rumore bianco Sorgenti di rumore – spettro di potenza

45 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 45 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Analisi del rumore Configurazione CB Configurazione CF & CA C in = capacità totale in ingresso W(t) e W(t) = funzioni peso N.B. R f CA >> R f CF rumore parallelo inferiore

46 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 46 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Es. transistore con h FE =65 e IC=1 mA time-variant time-invariant Amplificatore CF Amplificatore CB Amplificatore CA ENC (C in = 0) 2000 e ( 17 keV per Si) Pendenza 20 e/pF ( 170 eV/pF per Si) ENC S ENC T

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

48 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 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

49 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 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 t r =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 Q eff 2x10 4 e. Se il t 0 del gas utilizzato è tale che in 10 ns viene raccolta solo 1/5 della valanga e possiamo raccogliere 2 elettroni Si richiede unamplificazione nel gas > 2x10 4 x5/2 = 5x10 4

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

51 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 51 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end 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% 1966

52 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 52 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end 2000 Candidati elettronica FE wire pad chamber (LHC-b) ModelloPNPISONYASDQ TecnologiaComponenti discreti SONY bipolare MAXIM Bipolare Resistenza di ingresso Peaking time (Cdet=0pF)4 ns11 ns8 ns Peaking time (Cdet=100pF)7 ns20 ns ENC (Cin=10 pF)1800 e1500 e2300 e Sensitivity (Cdet=0pF)10mV/fC5.6mV/fC3mV/fC Sensitivity (Cdet=100pF)6mV/fC3.5mV/fC Radiation Limit 50 kRad 5 MRad Av. Pulsewidth (Cin=100 pF) 60 nS90 ns25 ns Baseline restorationnoyes Max rate tested 1 MHz15 MHz Channels/Chip 48 Power consumption/channel 59 mW40 mW Cost per channel 1.7 SFr4 SFr

53 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 53 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Ma se C det > 100 pF ?!?! Preamplificatori monolitici includono... Stadi di ingresso differenziali formatori baseline restorer discriminatori driver di uscita e... gadget vari Q1 guadagno in corrente guadagno in tensione g m1 r e2 ( 1) Q2 guadagno in tensione = R C /r e2 Il guadagno in tensione del circuito è g m R C ( 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 Q in dovrebbe essere integrata nel condensatore C f e generare una tensione in uscita pari a Q in / C f.

54 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 54 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end In realtà... V out Q in / C fx con C fx = C f + C + 2C cb + C det /A C f + C det /A C e C cb si riferiscono a Q1 e A 100 ( g m 15mA/V I e1 =0.4 mA), La tensione di uscita si dimezza per C det 40 pF Inoltre R in troppo alta Ie=1 mA R in =1/ g m 25

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

56 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 56 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Selezione del dispositivo di ingresso Tecnologia Bipolare I dispositivi bipolari offrono: Un GPB=g m /C 0 Una bassa C in Il miglior rapporto g m /I per bassi consumi Ma La corrente di base contribuisce al rumore parallelo il guadagno in corrente ( ) deve essere alto. La resistenza R BB 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 g m /I d 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.

57 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 57 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end Design approach and circuit configuration selection Design procedure a.Select the input device. b.Determine the 1/f corner noise frequecy. c.Determine the corner noise time constant. d. Size the input device for detector matching. e.Bias the input device for noise and speed specs f.Select a circuit configuration g.Identify parasitic noise contributions. h.Estimate seconde stage noise sources i.Clarify the weighting of specs speed-noise-power trade off optimisation Current mode (transimpedance) preamplifier No pile-up. Very fast. but Additional parallel noise from feedback resistor and current sources. 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.

58 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.Felici 58 Rivelatori di particelle-elettronica di front-end LENC del preamplificatore è bassissimo ma... Attenzione ai loop di massa....!!!!!!!

59 Rivelatori di particelle ed elettronica di front-endG.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)


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