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1 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA 2004-2005.

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1 1 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

2 2 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

3 3 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA ELABORAZIONE DEL SEGNALE La strategia di elaborazione dei segnali forniti dai rivelatori vari a seconda dellinformazione che si vuole estrarre dai segnali. Le misure che consideremo per prime sono MISURE DELL ENERGIA RILASCIATA. Come già è stato fatto notare linformazione di energia si ottiene dalla misura della carica associata allimpulso di corrente del rivelatore. Quindi il passo fondamentale in una misura denergia è lintegrazione del segnale di corrente. La pura integrazione, tuttavia, non è sufficiente, in quanto non rispetterebbe i vincoli imposti dalla misura, come ora illustreremo. t t integrazione pura

4 4 P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Dove avviene questo primo passo nellelaborazione dei segnali forniti dai rivelatori? Avviene solitamente a livello della combinazione rivelatore- preamplificatore. a) integrazione eseguita direttamente sul rivelatore Q i(t) + _ CDCD Si può utilizzare questa connessione a patto che la capacità del rivelatore sia affidabile in valore e costante, come nel caso di una camera a ionizzazione in mezzi gassosi, liquidi o solidi. Nel caso di un rivelatore a giunzione è utilizzabile solo nel caso in cui il rivelatore sia totalmente svuotato. circuito di compensazione di carica DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA

5 5 b) integrazione eseguita sulla capacità di reazione di un preamplificatore di carica _ CFCF CDCD circuito di compensazione di carica Q i(t) Questa connessione, la più comunemente usata, ha il vantaggio di rendere il risultato dellintegrazione indipendente dalla capacità del rivelatore. P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

6 6 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

7 7 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Il preamplificatore è un elemento estremamente importante in un sistema di elaborazione dellinformazione fornita da un rivelatore. Infatti, poiché il preamplificatore agisce direttamente sul segnale del rivelatore, un suo difetto progettuale solitamente influenza negativamente le prestazioni dellintero sistema di elaborazione. I requisiti che vincolano il progetto di un preamplificatore variano in maniera considerevole in dipendenza delle caratteristiche del rivelatore e della natura della misura che si vuole eseguire. Così ad esempio, misure di basse energie con un rivelatore che non possegga un meccanismo di moltiplicazione di carica, come una camera a ionizzazione o un rivelatore a semiconduttore, pone nel progetto del preamplificatore stringenti requisiti di rumore. Misure con elevate intensità di radiazione richiedono solitamente che il preamplificatore sia progettato in modo da presentare un breve tempo di salita, così da contribuire in maniera trascurabile alla durata dei segnali lungo il sistema di elaborazione.

8 8 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Nella maggioranza dei casi il rivelatore è schematizzabile in prima approssimazione con un generatore di corrente che eroga il segnale Qi(t) in parallelo alla capacità C d Qi(t) CdCd Q è la carica associata all impulso di corrente e i(t) si intende normalizzato ad area unitaria. La capacità C d varia notevolmente da un tipo di rivelatore a un altro, da valori minimi inferiori a 1 pF nel caso dellelettrodo collettore di un rivelatore a pixel a diverse migliaia di pF nel caso di rivelatori sottili di grande area sensibile o di celle di un calorimetro.

9 9 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Qi(t) DIVERSE STRUTTURE DI PREAMPLIFICATORE Q/C f 0 preamplificatore di carica C* d CfCf E la struttura piu comunemente impiegata nelle applicazioni spettrometriche. Il preamplificatore è un integratore operazionale. Il principale vantaggio del preamplificatore di carica è quello di avere una rete di reazione puramente capacitiva, i cui contributi di rumore termico si possono rendere trascurabili. C i

10 10 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Qi(t) C* d RfRf QR f i(t) preamplificatore di corrente E una configurazione operazionale a transimpedenza che si impiega quando si voglia preservare la forma dellimpulso di corrente del rivelatore. Presenta un contributo di rumore termico dovuto alla resistenza di reazione. C i

11 11 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Qi(t) C* d Q/(C d *+C i ) 0 R1R1 R2R2 0 (Q/(C d *+C i ))(R 1 + R 2 )/R 1 preamplificatore di tensione Si impiega in misure spettrometriche nelle quali lintegrazione del segnale di corrente si possa eseguire direttamente sul rivelatore, cioè quando la capacità C d è lineare, affidabile in valore e stabile. C i

12 12 enen g m /sC o circuito di ripristino di carica inin CfCf Ci Ci Cd* Cd* I det formatore T( j t p ) Q I n ( )/J C f + E n ( )( C f + C d *+C i )/ C f V o,n V p,n DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA Riprendiamo ora la struttura più dettagliata del preamplificatore di carica, in cui è evidenziato il circuito di ripristino di carica. Nella spettrometria a elevata risoluzione questo circuito rappresenta una parte molto importante del preamplificatore, al punto che tuttora viene dedicato sforzo di ricerca per ottimizzarne le prestazioni. Come primo passo occorre discutere la connessione fra rivelatore e preamplificatore.

13 13 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA _ V det _ ILIL CFCF IGIG RFRF _ rivelatore (giunzione P-N) ILIL CFCF IGIG _ V det _ + VuVu VBVB C A) B) V det _ T rivelatore (giunzione P-N) Ripristino di carica su C F continuo di natura resistiva. Per ridurre il contri buto di rumore termico R F si sceglie molto grande, se possibile 10 GOhm Ripristino di carica su C F impulsato, attuato dal transistore T.

14 14 Qual è la funzione del circuito di ripristino della carica sul condensatore C f ? Il condensatore tende a caricarsi per la presenza di: corrente di fuga del rivelatore e corrente di gate del dispositivo de ingresso del preamplificatore impulsi di corrente del rivelatore esposto alla radiazione Senza il ripristino di carica la tensione ai capi di C f continuerebbe ad aumentare fino a far uscire il preamplificatore dalla regione lineare di funzionamento. Il circuito di ripristino di carica è una parte critica e delicata in un preamplificatore destinato all impiego in sistemi di spettrometria a elevata risoluzione e negli anni ha costituito un argomento di ricerca molto stimolante. Il suo progetto presenta difficoltà maggiori nel caso della spettrometria X, dove le energie sono più basse e quindi il rumore più importante. Lo schema A) contiene un ripristino di carica di natura resistiva. Si tratta di un ripristino continuo che presenta i seguenti limiti. Il resistore presenta rumore termico e per ridurlo si ricorre a valori di resistenza molto alti, > 1 G. Resistori di questo valore introducono una capacità parassita verso massa non trascurabile. Se il ripristino resistivo è talvolta accettato nella spettrometria gamma, è totalmente da escludere nel caso di spettrometria X.Lo schema B) attua un ripristino di natura impulsata e impiega un transistore per iniettare la corrente di compensazione quando il livello in uscita al preamplificatore supera un valore prefissato. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

15 15 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA A rigor di termini neppure lo schema B) soddisfa i requisiti di risoluzione della spettrometria X, in quanto impiega per il ripristino di carica un elemento esterno, il transistore, che aggiunge capacità allentrata del preamplificatore. Per questa ragione lo sforzo di ricerca relativo al circuito di ripristino di carica si è sempre indirizzato allutilizzazione di meccanismi intrinseci al JFET di entrata per attuare il ripristino. E stata anche ideata una struttura speciale di transistore a effetto di campo, detta pentafet, che contiene una zona P aggiuntiva rispetto a una ordinaria struttura a doppio gate. Questa serve per il ripristino di carica di natura pulsata. P+ S D N canale N+ P+ G quinto elettrodo

16 16 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA _ ILIL CFCF IGIG -V det RFRF C ac RDRD rivelatore (giunzione P-N) Rivelatore accoppiato in alternata al preamplificatore. Per semplicità si è rappresentato un ripristino di carica resistivo. Questo tipo di accoppiamento non è adatto alla spettrometria a elevata risoluzione. Infatti la presenza di C ac aumenta le capacità parassite verso massa. P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

17 17 Un primo esempio significativo di impiego dei rivelatori, con risvolti in molti settori applicativi è quello della spettrometria dispersiva in energia dei fotoni X e gamma. Anni di ricerca e sviluppo sono stati dedicati allottenimento di elevate risoluzioni energetiche, a ritmi di arrivo dei segnali dal rivelatore sempre più elevati. La figura indica come si costruisce lo spettro in energia rilasciata nel rivelatore dalla radiazione incidente. _ CFCF CDCD circuito di compensazion e di carica Q i(t) formatore Costruzione della funzione densità di probabilità delle ampiezze sistema di spettrometria della radiazione DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

18 18 Si può ora definire la risoluzione energetica di un sistema spettrometrico. La risoluzione definisce lattitudine del sistema a separare righe di energie vicine fra loro. Si immagini di far cadere sul rivelatore una radiazione rigorosamente monoenergetica. Ci si aspetterebbe di ottenere una funzione densità di probabilità prossima a una Ciò che si ottiene invece è una gaussiana. energia E Densità di probabilità n/ E caso reale di distribuzione di E ricostruita dalla distribuzione di ampiezze nel sistema spettrometrico FWHM: piena larghezza a metà altezza EoEo E1E1 caso ideale DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

19 19 Molte cause contribuiscono a determinare la larghezza della linea spettrale osservata. Sia la deviazione standard della gaussiana. Intercorre la relazione: FWHM = Indicate con n le deviazioni standard dovute ai singoli processi, che generalmente sono statisticamente indipendenti fra loro, vale la relazione: 2 n 2 Passiamo ora in rassegna sistematicamente le cause di allargamento della linea spettrale, distinguendo quelle intrinseche al rivelatore da quella legate allelettronica. Contributi del rivelatore alla larghezza della linea spettrale. La statistica di formazione delle coppie nel rivelatore è una causa importante di allargamento. La statistica di creazione delle coppie di portatori nel processo di ionizzazione presenta una deviazione standard inferiore a quella poissoniana. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

20 20 Si consideri il caso di energia rilasciata pari a E in un rivelatore a ionizzazione in cui lenergia occorrente alla formazione di una coppia di portatori sia Il numero medio di portatori creati è n = E/ Se la statistica fosse poissoniana, la varianza sarebbe pari a n. Invece il processo di creazione di coppie per ionizzazione presenta una varianza ridotta del fattore di Fano F: F n con F < 1, cioè F E/ o, riferita all energia, F E Il valore del fattore di Fano per Si è 0.1 e per il Ge iperpuro DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

21 21 Ulteriori cause di allargamento della linea spettrale dovuti al rivelatore sono: La cattura di portatori da parte di difetti nel materiale rivelatore. I difetti agiscono da trappole che catturano i portatori. Il processo di cattura è casuale, così come casuale è il tempo di permanenza nella trappola. La raccolta incompleta dei portatori legata alla presenza nel rivelatore di zone di basso campo. Può avvenire, per difetti costruttivi, che il rivelatore presenti una zona in cui il campo elettrico è basso, insufficiente ad assicurare la raccolta di portatori creati in tale zona. Rumore Il rivelatore contribuisce al rumore con il termine di rumore granulare associato alla corrente inversa. Inoltre, lanalisi dei limiti di risoluzione dei rivelatori al Si(Li) per applicazioni estremamente raffinate di spettrometria X si sta facendo strada l ipotesi che il rivelatore possa contribuire alallargamento della riga con un termine di rumore dielettrico. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

22 22 Contributi alla larghezza della linea spettrale provenienti dallelettronica. Il rumore dl preamplificatore rappresenta un importante contributo alla larghezza della linea spettrale. La relativa è rappresentata da ENC in unità di carica (elettroni rms) e da ENC in unità di energia (eV). Ulteriori cause di allargamento legate allelettronica sono: errore balistico, che dà luogo a fluttuazioni nellampiezza del segnale in uscita al formatore per segnali del rivelatore che, pur portando uguale carica hanno diversa forma. fluttuazioni della linea di base dovute al sovrapporsi delle code negative associate al segnale. La fluttuazione legata allerrore balistico può venire eliminata con una formatura trapezoidale di sommità piatta sufficientemente lunga, il che può richiedere come effetto collaterale una riduzione nel ritmo di arrivo degli eventi, cioè dellintensità della sorgente. La fluttuazione nella linea di base può venire contenuta con luso di un circuito di ripristino della linea di base. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

23 23 Immaginando che la risoluzione in energia sia l obiettivo di importanza primaria e che per raggiungerlo si sia disposti ad accettare di operare a intensità di radiazione incidente sul rivelatore ridotta, rimangono come termini ultimi a limitare la risoluzione la statistica di frmazione delle coppie nel rivelatore e il rumore. E interessante valutare quale dei due termini predomini. In prima approssimazione si può dire che a energie relativamente basse, dalla decina di keV fino a 100 keV, regione tipica della spettrometria X, la legata alla statistica di formazione delle coppie è generalmente trascurabile rispetto al rumore. A energie superiori al MeV, tipiche della spettrometria gamma, la statistica di formazione delle coppie può diventare il termine dominante nel limitare la risoluzione. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

24 24 _ CFCF CDCD circuito di compensazion e di carica Q i(t) formatore Costruzione della funzione densità di probabilità delle ampiezze C inj Questo schema mostra come sia possibile separare il contributo di larghezza di linea spettrale dovuto al rumore da quello dovuto alla statistica di formazione delle coppie nel rivelatore. Si esegue un primo accumulo di eventi nella linea spettrale con la sorgente affacciata al rivelatore. Allontanata la sorgente si inietta una carica nota a simulare il segnale del rivelatore. La larghezza di linea ottenuta nel secondo caso è dovuta esclusivamente al rumore. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

25 25 E FWHM: piena larghezza a metà altezza in presenza di sorgente EoEo caso ideale FWHM: piena larghezza a metà altezza in assenza di sorgente e con segnale artificiale Incidentalmente, questo metodo si presta alla valutazione sperimentale del fattore di Fano, una volta che sia nota lenergia della radiazione incidente E o DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

26 26 Nella spettrometria gamma a elevata risoluzione si impiegano rivelatori al germanio iperpuro. Nella spettrometria X, in dipendenza dallenergia dei fotoni si impiegano rivelatori a Si(Li) o rivelatori a germanio iperpuro. In entrambi i casi il rivelatore è mantenuto a temperatura criogenica (77 K), per cui le correnti di fuga e il rumore a esse associato si riducono a livelli trascurabili. Sempre nel caso di spettrometria X, dove limpatto del rumore sulla risoluzione è più forte e, in molti casi anche nella spettrometria gamma si approfitta della presenza del liquido criogenico, solitamente Azoto, per raffreddare anche lo stadio di ingresso del preamplificatore, che è la sorgente di rumore dominante. L elemento di ingresso universalmente impiegato per la spettrometria a elevata risoluzione è il transistore a effetto di campo a giunzione. Loperazione criogenica potenzialmente avrebbe effetti benefici sul rumore se il dispositivo venisse tenuto a una temperatura meno bassa di quella dellazoto liquido. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

27 27 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

28 28 Lavvento dei rivelatori microstrip, che già all inizio degli anni 80 venivano realizzati con elevata densità spaziale di elettrodi, passo di 100 micron, aveva introdotto il problema dello sviluppo di unelettronica di lettura con una densità di canali compatibile con quella del rivelatore. canale di lettura P+ Fan-out Il prezzo che si paga con questa soluzione è un considerevole aumento di capacità allingresso del preamplificatore dovuto al circuito di fan-out. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

29 29 PA FORM FUNZ PA FORM FUNZ PA FORM FUNZ PA FORM FUNZ PAFUNZ FORM uscita P+ Convergenza delle informazioni dai canali singoli Lestensione delle microstrip ha reso la soluzione dellelettronica in tecnologia a film non più percorribile, sia per laumentato numero di strip da leggere sia per la necessità di introdurre una riduzione dei dati a livello di front-end che alleviasse il problema dei cavi in uscita. Si è ricorsi allora a soluzioni integrate. Anno dopo anno queste soluzioni si sono avvalse del progresso delle tecnologie monolitiche a elevata densità, quali tecnologie CMOS, di tecnologie miste Bi-JFET-CMOS e dellevoluzione nel campo dei dispositivi nota come device scaling DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

30 30 meccanismo di ripristino di carica formatore CfCf definizione temporale dellevento b c memoria analogica d A preamplificatore di carica T1T1 T2T2 D + _ V th C C + _ clock V th ToT _ + C st Strutture alternative del la sezione di FE R S DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

31 31 e i(t) N- FORM C + - V th <0 CfCf C i C d P+P+ 0V Ripristino di carica compensazione I leak Le celle si realizzano su un substrato de silicio, in modo che ogni cella corrisponda geometricamente al pixel a cui la cella viene connessa I leak flip-flop memoria locale di stato Cella elementare di elaborazione del segnale dal pixel IMPORTANTE: larea del pixel fissa la massima superficie di silicio disponibile per la cella. V+ DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

32 32 I circuiti monolitici di eleborazione dei segnali provenienti da microstrip e pixel sono chip VLSI a elevata densità in cui coesistono una sezione analogica la cui parte di ingresso tratta segnali a basso livello e una sezione numerica. Nel caso delle microstrip i canali di elaborazione del segnale sono disposti sul chip con una spaziatura identica al passo delle strip sul rivelatore. Nel caso dei rivelatori a pixel il criterio di progetto normalmente adottato consiste nel far sì che la cella elementare occupi sul chip di lettura un`area uguale a quella del pixel, tipicamente 100micronx100micron. DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

33 33 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA I SISTEMI DI LETTURA DI RIVELATORI MICROSTRIP E PIXEL VENGONO DENOMINATI MIXED SIGNAL, PER IL FATTO CHE CONVIVONO SULLA STESSA PLACCHETTA DI SILICIO UNA SEZIONE ANALOGICA E UNA LOGICA. LA TECNOLOGIA UNIVERSALMENTE IMPIEGATA NELLA LORO REALIZZAZIONE E QUELLA CMOS, IN ALCUNI CASI COMPLETATA DA UN TRANSISTORE BIPOLARE (Bi- CMOS). GIA DALLE PRIME REALIZZAZIONI DI SISTEMI DI LETTURA PER RIVELATORI A FINE SEGMENTAZIONE QUALI LE MICROSTRIP DI DELPHI e ALEPH ERA RISULTATO CHIARO CHE ERA IMPOSSIBILE RINUNCIARE ALLA VERSATILITA DI PROGETTO OFFERTA DAI PROCESSI CMOS, RIMANEVANO TUTTAVIA DELLE RISERVE SUI LORO LIMITI DI RUMORE. QUESTE RISERVE AVEVANO DIRETTO LATTENZIONE VERSO TECNOLOGIE MISTE, IN GRADO DI OFFRIRE OLTRE AL PROCESSO CMOS COMPONENTI QUALI I TRANSISTORI A EFFETTO DI CAMPO A GIUNZIONE (JFET). NEGLI ULTIMI ANNI IL PROGRESSO TECNOLOGICO NOTO COME DEVICE SCALING HA CONTRIBUITO NOTEVOLMENTE A RENDERE I CMOS MOLTO PIU IDONEI AL CASO SPECIFICO DEGLI IMPIEGHI PER IL TRACKING E IL RILIEVO DI IMMAGINI, FACENDO ANCHE CADERE LE RISERVE SUI LIMITI DI RUMORE.

34 34 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA IL DEVICE SCALING HA PORTATO A RIDURRE LA LUNGHEZZA DI CANALE DEI DISPOSITIVI MOS AL LIMITE DELLO 0.1 MICRON. I VANTAGGI CHE NE RISULTANO AI FINI DEL PROGETTO DELLA SEZIONE LOGICA IN TERMINI DI: DENSITA FUNZIONALE VELOCITA DI COMMUTAZIONE SONO FACILMENTE INTUIBILI CONTEMPORANEAMENTE LO SPESSORE DELLOSSIDO DI GATE E SCESO A VALORI DI POCHI NANOMETRI. QUESTA RIDUZIONE, UNITA ALLA DIMINUITA LUNGHEZZA DI CANALE HA CONDOTTO A: DIMINUZIONE DEL RUMORE 1/f MIGLIORAMENTO DELLE CARATTERISTICHE DI RUMORE TERMICO DI CANALE A CORRENTI DI LAVORO RELATIVAMENTE BASSE COME CONSEGUENZA, SI E MOLTO AMPLIATO IL CAMPO APPLICATIVO IN CUI IL MOS RISULTA UN VALIDO CONCORRENTE DEL JFET.

35 35 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA RESISTENZA ALLA RADIAZIONE E DEVICE SCALING SE A LUNGO SI ERA PENSATO CHE LA RESISTENZA ALLA RADIAZIONE DELLELETTRONICA FOSSE UNA CARATTERISTICA DI INTERESSE LIMITATO AL CASO DEGLI IMPIEGHI IN FISICA DELLE PARTICELLE, I PIU RECENTI SVILUPPI NEL SETTORE DEL RILIEVO DI IMMAGINI, SOPRATTUTTO IN IMPIEGHI CON SORGENTI DI LUCE DI SINCROTRONE HANNO RESO DI ATTUALITA IL PROBLEMA DELLA RESISTENZA ALLA RADIAZIONE. I VECCHI PROCESSI CMOS AVEVANO LIMITI BEN PRECISI DI RESISTENZA ALLA RADIAZIONE, CON PARTICOLARE SENSIBILITA ALLA RADIZIONE IN GRADO DI CAUSARE IONIZZAZIONE NEGLI OSSIDI DI GATE E DI CAMPO. QUESTI LIMITI SI SONO MOLTO ATTENUATI CON IL DEVICE SCALING, SOPRATTUTTO PER MERITO DELLA RIDUZIONE NELLO SPESSORE DELLOSSIDO DI GATE. I PROCESSI A LUNGHEZZA DI CANALE VICINA ALLO 0.1 MICRON VENGONO ADDIRITTURA CONSIDERATI INTRINSECAMENTE RESISTENTI ALLA RADIAZIONE.

36 36 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

37 37 DIPARTIMENTO DI FISICA UNIVERSITÀ DI PISA-SEMINARIO IMPIEGO DEI RIVELATORI - PISA – Marzo 2004 b hhhh N + P+ P+ P+ P+ P deriva dei portatori CfCf vovo silicio N- X La camera a deriva usa un metodo originale di trasporto di carica grazie al quale la capacità dellelettrodo duscita risulta svincolata dall area sensibile. Linflusso del rumore del front- end risulta notevolmente ridotto. Traccia della particella

38 38 DIPARTIMENTO DI FISICA UNIVERSITÀ DI PISA-SEMINARIO IMPIEGO DEI RIVELATORI - PISA – Marzo 2004 ANODO DERIVA STRISCE P+ Modello meccanico che illustra il principio di trasporto di carica nella camera a deriva.

39 39 DIPARTIMENTO DI FISICA UNIVERSITÀ DI PISA-SEMINARIO IMPIEGO DEI RIVELATORI - PISA – Marzo 2004 hhhh N + P+ P+ P+ P+ P+ - - deriva dei portatori CfCf vovo silicio N- - CfCf vovo - CfCf vovo X Y Camera a deriva a anodo segmentato per il rilievo della posizione in due dimensioni. Traccia della particella

40 40 DIPARTIMENTO DI FISICA – UNIVERSITA DI PISA P. F. Manfredi – Rivelatori ed Elaborazione del Segnale – AA

41 41 DIPARTIMENTO DI FISICA UNIVERSITÀ DI PISA-SEMINARIO ELABORAZIONE DEI SEGNALI PISA – Marzo 2004 ELABORAZIONE DEL SEGNALE PER LA DEFINIZIONE TEMPORALE DELL EVENTO. Natura del problema. Si considerino due segnali contemporanei, di egual forma e di ampiezza diversa che siano presentati a due comparatori di identico valore di soglia. A causa della differente pendenza i due segnali raggiungono la soglia ideale a istanti diversi, cosicchè quello più piccolo appare ritardato. Si tratta chiaramente di un errore strumentale, che però allosservatore fa apparire non contemporanei due segnali che in realtà lo sono. soglia comparatore 1 2 VsVs t1t1 t2t2 t 1 t 2 ritardo t 2 - t 1 0 T 0 T comparatore 2

42 42 DIPARTIMENTO DI FISICA UNIVERSITÀ DI PISA-SEMINARIO ELABORAZIONE DEI SEGNALI PISA – Marzo 2004 Il fenomeno è aggravato dal fatto che il ritardo di commutazione di un comparatore erale dipende dalla pendenza del segnale di ingresso, per cui non solamente il segnale più piccolo raggiunge la soglia ideale in ritardo rispetto al segnale più grande, ma induce anche la commutazione con maggior ritardo. Il tipo di temporizzazione ora descritto, detto a leading edge può essere utilizzato solamente a patto che i segnali siano intrinsecamente molto rapidi, tale che il loro tempo di salita sia inferiore alla dispersione del ritardo allo scatto che si desidera ottenere. Per eliminare questo errore di temporizzazione occorre creare nel comparatore non una soglia fissa, bensì una soglia adattiva, proporzionale cioè allampiezza dellimpulso. Questo richiede evidentemente lintroduzione di un ritardo fisso, come illustrato in figura ritardo b < 1 Segnale attenuato Segnale ritardato V o [ (t-t rit )/T] + - bV o confronto


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