Esperimenti di Gr 5 2010 – 2011 PD - TN FAIR 2010 NEUTRA 2010 HEPMARK 2011 prol REDI - GO 2011 MICRO – Si 2011 prol WIDEST1 2011 STARTRAK2 2011 XDXL 2011 LEPIX 2012 SOIPD 2011 TRIDEAS 2011 VIPIX 2011

Valutazione della potenza dei nodi di calcolo nella HEP HEPMARK Michele Michelotto Valutazione della potenza dei nodi di calcolo nella HEP INFN PD - FE

Richiesta estensione nel 2011 Finanziata da CSN5 nel 2009-2010 Padova, Ferrara, Bologna Richiesta estensione nel 2011 Studio delle prestazioni dei Worker Node HEP (Nodi di Calcolo nelle farm degli esperimenti HEP) Benchmark di riferimento HEP-SPEC06 in sostituzione di SPEC INT 2000 Confronto con le prestazioni di applicativi HEP Report per i referee del calcolo LHC e di CCR per l’ottimizzazione del costo/prestazioni e i costi energetici Collaborazione internazionale con il gruppo HEPIX e con WLCG

Presentazioni CHEP 2009 Prague: M. Michelotto per gruppo HEPIX HEPIX Fall 2009 – Berkeley HEPIX Sprint 2010 – Lisbon Workshop CCR - Acireale

Problemi aperti Worker node 2009: due processori, ciascuno da 4 a 6 core (da 6 a 8 cpu logiche) Nel 2010 da 12 a 24 cpu logiche) Nel 2011 da 16 a 32 Troppi cores per un unico WN? Consumi Energetici? Nei 3 anni di vita di un WN costano più di Energia Elettrica che di CAPEX HEP-SPEC06 continua ad essere valido? Effetti delle architetture NUMA sulle prestazioni

Richieste 2011 Padova: Michele Michelotto (1° Tecn.) 0.70, Roberto Ferrari (CTER) 0.40, Alberto Crescente (CTER) 0.40, Matteo Menguzzato (TU) 0.40 Ferrara: Alberto Gianoli (1° Tecn.): 0.10 TOT FTE 2.0 interno estero consumo inventario TOTALI PD 1.00 2.00 19.00 22.00 Nessuna richiesta per i servizi

REadout a DIeci Giga bit al secondO REDI-GO Marco Bellato REadout a DIeci Giga bit al secondO PD – LNL – (Bologna) CERN

Obiettivo Readout a 10Gb/s su reti TCP/IP commutate direttamente da elettronica di front-end 3 fasi (in tre anni) Valutazione della tecnologia 10GE Sviluppo di core TCP/IP su dispositivi logici programmabili / valutazione di ASIC commerciali Setup di un canale di esperimento

Stato REDI-GO 2010 Le fasi 1 e 2 in parallelo LNL: valutazione tecnologia 10GE e ASIC commerciali PD: sviluppo stack TCP per dispositivi logici programmabili BO: costruzione adapter di test (I anno standby) (Bo azzera partecipazione a REDI-GO e continua l’attivita’ in SuperB)

Configurazione di test Valutazione 10GE Configurazione di test CMS FARM – Tier 2 – Rack 26 @ LNL transfer speed ≈ 1,2 GByte/s ≈ 9,6 Gbit/s; use 94 of designed bandwidth; latency ≈ 10 μs; percentage CPU usage < 1 . 2 PCs with cards NetEffect E10G81GP 1 switch at 10 Gbit/s 2 copper cables full duplex 1 switch at 100 Mbit/s luglio 2010 10

Architettura hardware Valutazione 10GE Architettura hardware Switch CMSFARMW011 At Tier 2 Room – Rack 26 Switch a 100 Mbit/s Switch a 10 Gbit/s (Summit x650) Redigo-01 Redigo-02 eth0 192.168.18.35 eth0 192.168.18.36 eth2 10.10.10.1 eth2 10.10.10.2 Switch 192.168.18.220 redigo-sw-01 Cards: Intel NetEffect NE020 E10G81GP Driver: cxgb3 (OFED 1.5.2) luglio 2010 11

Speed ≈ 1,2 Gbytes/s ≈ 9,6 Gbits/s Valutazione 10GE Test di banda Speed ≈ 1,2 Gbytes/s ≈ 9,6 Gbits/s luglio 2010 12

Round Trip Time ≈ 23 μs  Latency ≈ 10 μs Valutazione 10GE Test di latenza Round Trip Time ≈ 23 μs  Latency ≈ 10 μs Switch designed latency is 2 μs. luglio 2010 13

Stack TCP per FPGA Sviluppato sistema di test (SystemC) di uno stack TCP/IP per simulatore logico (Synopsys VCS / Cadence Ncsim) Codifica del layer di allocazione/deallocazione dinamica dei buffer IP Codifica dell’interfaccia MAC per reti 1Gb/s e 10Gb/s Codifica dei layer ARP e IP

Richieste finanziarie 2011 Personale I. D'antone (0.10), M. Gulmini (0.30), G. Maron (0.30), A. Triossi (0.50), M. Bellato (0.40), F. Montecassiano (0.20) Totale FTE: 1.8   I. Lax (0.30), N. Toniolo, G. Rampazzo (0.30), R. Isocrate (0.30) Totale FTE: 0.9 Richieste finanziarie 2011 interno estero consumo inventario TOTALI PD 5.00 1.50 5.00 2.50 14.00 LNL 1.00 2.00 4.00 12.00 19.00

Micro-si Flavio Dal Corso Sviluppo di un microdosimetro al Si portatile e miniaturizzazione elettronica di acq e read-out INFN MI e PD

Siamo in ritardo con il programma per vari motivi di seguito riportati Responsabile Nazionale: Stefano Giulini Castiglioni Agosteo, Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, Politecnico di Milano e INFN, Sezione di Milano. Partecipanti INFN-MI Stefano Giulini Castiglioni Agosteo (PO, 50), Armando Foglio Para (PA, 30), Marco Caresana, (RU,3 0), Andrea Pola (RU, 50) Alberto Fazzi (PA, 50), Vincenzo Varoli (PA,50); INFN-PD Flavio Dal Corso (Tecn. INFN, 40) responsabile locale Franco Gonella (Tecn. INFN, 20) Matteo Pegoraro (Dir.Tecn., 20) Pierluigi Zotto (PA, 30) (nota: abbiamo perso Ivano Lippi, che è in aspettativa per motivi familiari) Personale tecnico della sezione utilizzato: Enrico Borsato e Luciano Modenese Siamo in ritardo con il programma per vari motivi di seguito riportati chiedamo l’estensione del progetto per un anno

Scopo dell’esperimento MICRO-SI Lo scopo dell’esperimento è la realizzazione di un microdosimetro al silicio portatile, che permetta di effettuare la caratterizzazione di campi di radiazione nelle missioni spaziali, nella radioterapia e nella ricerca. Rivelatore n+ (As) n+ (P) p+ (B) deep imp ~2 μm 500 μm ΔE stage E stage Thin diode ST Microelectronics technology Charge collection Sensitive volume Il microdosimetro è stato sviluppato dopo vari studi: SID (con cui il gruppo di Padova ha collaborato nel 2001-2002), SISP (con una breve collaborazione nel 2003) e FAR14 (in ambito MIUR e in collaborazione con ST).

The 1 mm2 detector ΔE stage E stage IΔE = 40 pA IE = 60 pA CE = 2 pF CΔE = 170 pF Front view E stage

Impegni di Padova Risposta dei rivelatori micrometrici ad adroni carichi e campi neutronici Produzione di una camera di irraggiamento sotto vuoto (2008) ed elettronica lettura corrente (riutilizzata dal Radiation Monitor di ZEUS - Padova). Misure al Van De Graaff CN del LNL. Microdosimetro al silicio portatile Studio di fattibilità di amplificatore integrato (2008) . ASIC CMOS analogica e logica coincidenza. Prototipazione di circuiti a discreti per amplificatori e acquisizione in coincidenza. Progetto ASIC e run di prova (2009). Produzione ASIC e test (2010). Ingegnerizzazione.

Risposta dei rivelatori micrometrici ad adroni carichi e campi neutronici La camera di irraggiamento sotto vuoto è stata costruita nel 2008. A causa, prima della ristrutturazione del CN di Legnaro, poi di problemi al nostro DAQ, è stato possibile testarla al CN solo in due turni; il 24-25 febbraio 2010 e il 21-24 maggio 2010 (e un paio di giornate in parassitaggio nel 2009). Crociera di allineamento C3 C2 C1 C4 Crociera di allineamento Rivelatore ridotta l’accettanza angolare del blocco collimatori e l’intensità del fascio che incide sul rivelatore. ottenuto con un doppietto di collimatori (C3 in fig.) da 0,5 mm, distanti 40 mm. C2 e C1 (Ø 2,5 e 5 mm.) - sistema di allineamento con il fascio entro 3 mrad.

1.1 Misure alla camera di irraggiamento 1.1.1 Calibrazione delle correnti sui collimatori vs intensità e focalizzazione del fascio. Le modifiche apportate alla camera hanno enormemente migliorato la capacità di desumere la corrente sul bersaglio dalle misure delle corrente sui collimatori, malgrado le notevoli instabilità del fascio al Van De Graaff CN del LNL. L’eccellente linearità della relazione tra correnti sui collimatori e corrente sul target permette di estrapolare la misura ben sotto la sensibilità dei picoamperometri (risoluzione 1 pA)

1.1 Misure alla camera di irraggiamento 1.1.2 Misure sul rivelatore sotto irraggiamento. La riduzione dell’intensità di fascio operata dal doppio collimatore C3 permette la misura sul rivelatore anche posizionato sul fuoco del fascio. Il controllo sulla dose è molto più accurato. È anche possibile (seppure alle minime intensità di fascio) effettuare delle misure di rateo, con frequenze sostenibili dal DAQ (fig. a lato). Le caratteristiche I(V) delle due giunzioni che formano il rivelatore vengono periodicamente misurate durante l’irraggiamento, e le correnti indotte dall’irraggiamento continuamente monitorate. Si è capito che la “morte” del rivelatore, più che dalla degradazione delle caratteristiche elettriche, è definita meglio dalla perdita di risoluzione, ovvero dalla degradazione del rapporto segnale/rumore alla risposta al passaggio del protone singolo.

1.1 Misure alla camera di irraggiamento 1.1.3 Misure di tolleranza all’irraggiamento. Le misure di tolleranza all’irraggiamento sono appena iniziate (due giorni al CN: 22-23 giugno 2010). I dati sono estremamente preliminari Sono stati irraggiati tre rivelatori uno è stato danneggiato molto velocemente; gli alrei sono stati monitorati con maggiore attenzione. Hanno mostrato un pesante degradamento delle caratteristiche elettriche (in figura il comportamento dello stadio E in funzione della dose), ma continuavano a fornire segnali utili. La stima della dose nei rivelatori è stata ottenuta interpolando i dati di calibrazione. Essendo possibile ottenere lo svuotamento aumentando la tensione di polarizzazione, non è definita in maniera inequivoca la dose minima sopra la quale il rivelatore diventa inutilizzabile. Verosimilmente funzionerebbero fino alla tensione di breakdown (~150V)

Misure alla camera di irraggiamento Programmi per i prossimi run 2010 L’ottimizzazione della camera di irraggiamento ha soddisfatto le nostre migliori aspettative. I test sui rivelatori sono appena iniziati. Contiamo di irradiare un numero significativo di rivelatori per ottenere in’indicazione affidabile della vita media dei dispositivi. Dobbiamo integrare il sistema di acquisizione con un monitor continuo del rapporto segnale/rumore dei rivelatori, attualmente mancante per definire la dose a cui il rivelatore diventa inutilizzabile Test dell’amplificatore integrato e del sistema di readout con protoni e alpha a bassa intensità Test su nuovi prototipi promessi da ST-MicroElectronics

Studio di fattibilità di amplificatore integrato. Prototipazione di circuiti a discreti. - Misure con amplificatori prototipo a componenti discreti, non ottimizzati per il rivelatore. - disegno di un amplificatore integrato, in avanzata fase di realizzazione Rallentamento (tutto 2009) causa incongruenze nelle licenze per l’uso del software Europractice. - sottomissione del 1° prototipo dell’ASIC di frontend prevista per il 30 agosto p.v. In questa prima versione saranno integrate, in tecnologia CMOS 0.35µ AMS, 2 catene analogiche complete di preamplificatore di carica a basso rumore, shaper unipolare semigaussiano con tempo di picco di circa 3µs, baseline restorer e peak detector. Readout: si prevede inoltre di implementare una semplice interfaccia I2C slave con l'accesso in lettura e scrittura a registri di 8 bit necessari per il controllo dei parametri di acquisizione nella versione finale. Il progetto del primo prototipo permetterà l'accesso ai punti critici dei vari blocchi funzionali per facilitarne la prova. Entro fine 2010 - consegna di 30 chip prevista; - preparate le attrezzature per i test al banco in funzione dell’esito di questi test si potranno definire eventuali modifiche dei circuiti già definiti ed inserire altre funzioni in vista di una seconda sottomissione a metà dell’anno prossimo con inclusione della parte logica e di readout per rendere il sistema portatile

Richieste finanziarie 2011 interno estero consumo inventario TOTALI PD 1.00 1.00 13.00 0.00 15.00 Richieste ai servizi 2011 OM: piccoli aggiustamenti alla camera di irraggiamento 0,5 mu OE: scheda di test per prototipi 2 mu

WIDEST1 Laura De Nardo Cura dei tumori diffusi mediante la BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) INFN PD – LNL - PV Laura De Nardo (0.50, G. Tornielli (0.50), D. Moro (0.50) P. Colautti (0.50), S.C. Ceballos (1.00), Jori Giulio (0.50) S. Altieri (0.40), F. Ballarini(0.50), D. Santoro (1.00), N. Protti (1.00) EURADOS, European Dosimetry Group, ATI, Austrian Technological Istitute, Politecnico di Pisa, Politecnico di Milan, IOV Padova Dip. di Chirurgia Univ. PV e Policl. S. Matteo

Obiettivi generali testare l’efficacia della BNCT sulle metastasi polmonari in un modello animale generalizzare il risultato dell’assorbimento selettivo del 10B con altri modelli animali correlare con la qualità microdosimetrica dei dati raccolti in diversi campi neutronici misurare la concentrazione del boro in campioni sani e tumorali di pazienti

Progetto nuovo microdosimetro con tubi di campo

Esempio spettri microdosimetrici al TAPIRO (Casaccia ENEA) Spettri relativi

Prime misure presso il LENA Confronto Spettri microdosimetrici LENA - TAPIRO spettri relativi N14(n,p) C14 cattura N14(n,α)B11 soglia 0.17 MeV F19(n,α)N16 soglia 1.6 MeV H(n,γ)H sezione d’urto integrata sulla parte termica 0.25 barn N14(n,α)B11 sezione d’urto integrata sulla parte termica 1.6 barn 34

Obiettivi 2011 di PD-INFN e dei LNL Irraggiare i topi nella Colonna Termica del LENA (neutroni termici) Effettuare la caratterizzazione microdosimetrica dei campi neutronici del LENA a varie profondità in un fantoccio

Piano finanziario di PD-INFN 2011 INTERNO 4 k€ Misure di radiobiologia e microdosimetria al LENA 3 turni di 4 giorni per 1 persona 2.0 Viaggi ai LNL per 1 persona per la messa a punto dell’apparato sperimentale di microdosimetria (4 mesi) 2.0 ESTERO 3.00 k€ Contatti con l’istituto di ricerca austriaco ATI per la simulazione Monte Carlo del microdosimetro 3.0 INVENTARIO 2.5 k€ Oscilloscopio PicoScope 4424 1.5 Controller GPIB-USB per controllo remoto elettrometro Keithley 1.0 TOTALE 9.5 k€ Richieste ai servizi 2011 0.5 mu officina meccanica per manutenzione apparato sperimentale

STructure of hAdRon TRACKs STARTRACK2 Laura De Nardo nanodosimetric STructure of hAdRon TRACKs INFN PD – LNL Laura De Nardo (0.50, G. Tornielli (0.50), D. Moro (0.50) P. Colautti (0.50), V. Conte (0.50), M. Lombardi (0.50), M. Poggi (0.20), S. Canella (0.20) PTB-Braunschweig Germania SOLTAN institute of Nuclear Physics Polonia AIT Austrian Institute of Technology Laplace Laboratory of Toulouse University Politecnico di Milano ENEA-Bologna

che può evolversi in un osservabile biologico “Effetto accoppiamento” 2 sub-lesioni si accoppiano per formare 1 lesione primaria p ADRONE 1 Volume critico ADRONE 2 Ionizzazioni i Sub-lesioni n Lesione primaria che può evolversi in un osservabile biologico Alcune proprietà statistiche si trasmettono Se tutte le ionizzazioni hanno la stessa probabilità p di dare origine ad una sub-lesione n, allora la probabilità g(n) che si abbiano n sub-lesioni è uguale al prodotto della probabilità P(n/i) che i ionizzazioni diano n sub-lesioni per la probabilità f(i) di avere i ionizzazioni. Ossia: g(n) =P(n/i)*f(i) Usando l’equazione binomiale si dimostra che vale la seguente relazione n2-n1= p2(i2-i1) cioè che la differenza secondo momento meno primo momento si trasmette, anche se noi ignoriamo sia la distribuzione di i sia quella di n. La suddetta relazione ci aiuta a rispondere alla domanda: quante saranno le lesioni primarie prodotte? In altre parole il numero di a combinazioni a due due di tutte le sub-lesioni è uguale alle combinazioni a due a due delle ionizzazioni per il quadrato della probabilità che una singola ionizzazione dia origine ad una sub-lesione. Per ricavare l’equazione dell’efficienza biologica su scritta bisogna assumere che m sia una variabile stocastica distribuita in modo poissaniano e che essa sia indipendente dalla variabile stocastica i1.Per dosi “basse” la probabilità che 1 o più adroni “passino” (cioè lui dirattamente od uno dei loro raggi delta) attraverso un volume critico è molto minore di 1. In tal caso l’efficienza biologica dipende solo dal rapporto del secondo e primo momento di i1. Analogia delle coppie. Per formarsi una coppia in discoteca occorre che 2 individui si trovino in un “volume sensibile” di circa 1 metro di diametro, tutti e due siano in caccia (cioè eccitati), si piacciano, etc… Sia p la probabilità, uguale per tutti, che un individuo sia eccitato. Per formare una “coppia virtuale” (= lesione primaria) occorre che almeno due individui si trovino nel volume sensibile. Il numero di coppie virtuali è chiaramente proporzionale al numero di individui presi a due a due. E’ anche proporzionale al quadrato di p. Infatti se p=0.5, solo una doppietta di individui su 4 creerà una coppia virtuale: solo quando entrambi sono eccitati (ci sono altre 3 possibilità: nessuno è eccitato solo uno dei due è eccitato). La “qualità” di una discoteca è data dal rapporto del numero di coppie virtuali che si formano diviso il numero di individui eccitati, la quale è una funzione della distribuzione degli individui nel “volume critico”. Naturalmente solo una parte delle coppie virtuali diventerà poi una coppia vera (dovranno piacersi, etc..), tuttavia il numero finale di coppie “osservabili” sarà una funzione del primo e secondo momento dell’originale distribuzione di individui nel volume ensibile di quella discoteca galeotta.  (efficacia biologica): numero di lesioni primarie per ionizzazione L: distanza media di accoppiamento  corda media di un volume detto critico i: ionizzazioni prodotte all’interno del volume critico da m adroni i1: ionizzazioni prodotte nel volume critico da un singolo adrone 38

Il ruolo della ionizzazione primaria e quella di un raggio δ i1: ionizzazioni prodotte da un singolo adrone in V Traccia di un adrone ip: ionizzazioni primarie (statistica di Poisson) in V j: ionizzazioni prodotte da un singolo raggio  in V Volume critico V L: corda media di V La distribuzione delle ionizzazioni i1 causate da un singolo adrone è il risultato della ip-esima convoluzione della distribuzione j delle ionizzazioni causate da un raggio δ ADRONE CHE ATTRAVERSA IL VOLUME CRITICO V Utilizzando gli stessi teoremi statistici usati nella slide precedente per passare dalle ionizzazioni di singolo adrone alle ionizzazioni di m adroni, dove ora per singolo adrone si intende il raggio delta j e per ionizzazione di m adroni si intende quella di singolo adrone i1. La moltiplicità m degli adroni qui diventa quella dei raggi delta che però si conosce perchè è uguale al numero medio delle ionizzazioni primarie nel volume critico (trascuriamo la probabilità che un raggio delta generato fuori da V entri in V). VOLUME CRITICO LONTANO DALLA TRACCIA Più V si allontana dalla traccia più la probabilità che 1 o più raggi delta attraversino V diventa piccola e l’efficienza biologica diventa proporzionale al rapporto del secondo e primo momento di i1.Se quest’ultimo non dipende dalla distanza della traccia, l’efficienza biologica dei raggi delta è invariante. 39

Obiettivo di STARTRACK Verificare l’invarianza di e di e non sono direttamente misurabili. Possiamo solo misurare la distribuzione di i1 (ionizzazioni prodotte da un singolo adrone in un volume sensibile di dimensioni pari a circa 25 nm di acqua liquida) al variare del parametro d’impatto d. Però, indipendentemente dalla molteplicità dei raggi  vale sempre la relazione: Per j si hanno invece due casi: Penombra Core 40

L’esperimento STARTRACK Misura la distribuzione del numero di ionizzazioni prodotte da un singolo adrone in un volume sensibile di dimensioni pari a circa 20 nm di tessuto equivalente al variare del parametro d’impatto d. Volume sensibile del rivelatore STRUTTURA di traccia: distribuzione delle ionizzazioni attorno alla traccia di uno ione. Tale conoscenza ci aiuterà a capire la fisica delle lesioni biologiche primarie. E’ infatti noto che la maggior parte delle lesioni biologiche dovute alle radiazioni ionizzanti è dovuta ad eventi di ionizzazione. Per STRUTTURA si intende la probabilità che, al passaggio di uno ione, si abbiano 1 o 2 o 3 etc.. ionizzazioni in un sito di dimensione significativa per una cellula vivente. Si ritiene che siano di massima rilevanza i siti di dimensioni di qualche nanometro (DNA) fino a qualche decina di nanometri (fibra di cromatina). La STRUTTURA di una traccia dipende dalla grandezza del sito preso in considerazione, dal tipo e velocità dello ione, dalla distanza del sito dalla traccia. 41

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Misure previste in STARTRACK2 Cammino libero medio di ionizzazione p in gas propano di ioni idrogeno, litio e carbonio A parità di velocità (spettro di raggi delta uguali), intensità diversa A parità di lamda p: 7.5 MeV l=10nm; 15 MeV l=20nm; 20 MeV l=26nm 6Li: 24MeV (4 MeV/u) l=0.6nm; 45MeV (7.5 MeV/u) l=1.1nm 12C: 90MeV (7.5 MeV/u) l=0.3nm; 180MeV (15 MeV/u) l=0.5nm; 240MeV (20 MeV/u) l=0.7nm 45

Piano finanziario Richieste ai servizi 2011 TOTALE 9.5 k€ INTERNO 3.5 k€ Contatti scientifici con le collaborazioni italiane 1.0 Trasferte ai LNL per 2 persone per la preparazione e partecipazione ai turni di misura 2.5 ESTERO 2.50 k€ Partecipazione di 1 persona al XIV congresso di Radiation Research (Varsavia) 2.5 CONSUMO 3.5 k€ Colla epossidica a 2 componenti Stycast 2850 ft per isolamento circuiti elettronici di front end 0.5 Componentistica per manutenzione elettronica del rivelatore. Connettori vari per elettronica di front-end, per le diverse schede e minuteria varia 3.0 TOTALE 9.5 k€ Richieste ai servizi 2011 1.5 mu officina meccanica per manutenzione apparato sperimentale 1.0 mu officina elettronica per costruzione fron-end e manutenzione apparato

XDXL (X DRIFT EXTRA LARGE) Paolo Rossi    Appliczioni di spettroscopia X ad alta risoluzione con rivelatori a deriva di silicio di grande superficie. INFN   BO, PD, Roma II, TS

applicazioni dei Silicon Drift Detector all’astronomia X su satelliti (in coll. con l’INAF ) - alla bio-medicina (Bo, PD-LNL con test su Topi al “laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare” (LRIM) sito presso I LNL.

Realizzazioni ed Acquisti anno 2010 -tests presso il laboratorio LRIM della parte calorimetrica. Provati diversi cristalli (LaBr, CsI, GSO) in configurazione “continua” e “segmentata” con sorgenti radioattive in fase solida (Co-57) e in fase liquida (Tc-99*). Elettronica di readout sviluppata presso la sezione di Bologna. -Simulazione dell’intera Compton Camera, comprendente Tracker (SDD) e calorimetro con il Monte Carlo GEANT4. Da questi studi e dalle misure si e’ concluso fra l’altro che nel nostro caso cristalli segmentati sono da preferire a cristalli continui. -Sviluppo di algoritmi della ricostruzione spaziale tomografica tipica di una Compton Camera per SPET animale. Il lavoro e’ in corso e viene verificato a partire da dati simulati (GEANT4). -Acquisto PMT 64 anodi Hamamatsu-8500C-MOD8 (alta QE, quant.eff.)., per ~4000E (su fondi concessi in corso d’anno del 2009). Questo ha sostituito l’acquisto di una scheda ADC-NI-PCI (una sk simile e’ stata riciclata da altri esp.) -Acquisto prossimo, fondi 2010, di un cristallo segmentato, del tipo indicato dai tests. - Il lavoro preventivato per l’ufficio tecnico e l’officina meccanica (per il supporto della CC animale) verra’ modificato e parzialmente spostato per tenere conto della nuova struttura di “Dimostratore” previsto per il 2011. -Art. NIMA (“accettato”) dal titolo “Design and Performance Tests of the Calorimetric Tract of a Compton Camera for Small-Animals Imaging” (P. Rossi et al.), DOI= 10.1016/j.nima.2010.07.018.

Attivita’ prevista per il 2011 Sviluppo di un “Dimostratore” di Compton Camera (CC) bio-medica per SPET animale, le cui caratteristiche sono suggerite dai test e dalle simulazioni realizzate nel 2010. Il prototipo sara’ costituito da: - 4 moduli calorimetrici (ciascuno di superficie attiva 50x50 mm2 e costituito da un cristallo scintillatore segmentato di profondita’ 20 mm e “stride” di 1.5 mm, e da un PMT H8500C-MOD8 alta QE. Acquisizione a cura della sez. BO, che sta completando un R/O di 256 canali. Dei 4 PMT due ad alta QE sono acquistati da PD (uno su fondi 2010) e due sono di precedenti exp. Due cristalli segmentati sono acquistati da Padova (uno su 2010) e due da Bo. - Un modulo “Tracker” basato su un rivelatore SDD-Alice gia’ esistente e un R/O in via di sviluppo da parte della collaborazione XDXL, comprendente un ASIC pre-amplificatore di nuova realizzazione. La parte calorimetrica, il montaggio meccanico complessivo e I test su fantocci radioattivi e su topi sono a carico delle sezioni di Padova e Bologna. Il Tracker a cura della sezionbe di Ts. I test col dimostratore sono previsti sia presso il laboratorio LRIM che presso struture ospedaliere provviste di ciclotrone medico per la produzione di beta+ emittenti. 2) Sviluppo degli algoritmi di ricostruzione tomografica di una CC per SPET animale (gia’ iniziato nel 2010 con test su eventi simulati da GEANT4) e verifica delle loro prestazioni a partire da distribuzioni reali di gamma provenienti da fantocci radioattivi e animali da test.

Piano finanziario Richieste k€ Interno Viaggi per riunioni di collaborazione e viaggi regolari Padova-LNL per attivita’ al laboratorio LRIM. Collaborazione con il San Raffaele di Milano per test con radioisotopi beta+ emittenti 2.0 Estero Partecipazione di una persona ad una conferenza internazionale relativa ai rivelatori per medicina, come la NDIP 2011 (Lione, Fr),”6th International Conference on New Developments in Photodetecion” Consumo Materiali vari per la costruzione di un supporto per posizionamento statico di una Camera Compton per SPET animale 1.0 Materiali radioattivi (3 generatori Tc-99* del costo di 0.5k€ e della durata di due settimane ) per test su fantocci e piccoli animali 1.5 II Lamina di cristallo 50x50x5 mm3 per ulteriore modulo calorimetrico 5.5 Inventariabile Fotomoltiplicatore multianodo ad alta efficienza quantica a 64 canali, modello Hamamatsu-8500C-MOD8, alta QE 4.0 TOTALE 16.0 51

Partecipanti Richieste ai servizi 2011 -Ufficio Tecnico Paolo Rossi (1.00), C. Fontana (1.00), G. Gennaro (1.00), G. Moschini (0.25) A. Battistella (0,10) Richieste ai servizi 2011 -Ufficio Tecnico Progetto di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Il supporto dovrà sostenere vari piani di rivelatori ( tracker SDD e 4 moduli calorimetrici) di peso e dimensioni ridotte, e dovrà permettere il posizionamento statico degli stessi a vari angoli e distanze. La dimensione lineare della struttura sarà dell’ordine di 0.5 m. Impegno: 1 mu -Officina Meccanica Realizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Impegno: 2 mu 52

Progetti TN in continuazione 2011 Sigla Titolo Anni Sezioni partecipanti Coordinatore nazionale TRIDEAS Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS 2009-2011 BA, TN, TS-dot. (+ FBK-irst) e supporto esterno GE e UD Gian-Franco Dalla Betta (Trento) VIPIX Vertically Integrated PIXels BO, MI, PG, PI, PV, Roma III, TN, TO, TS (+FBK-irst) Valerio Re (Pavia) N.B. Si prevede anche una partecipazione ad ATLAS su dotazioni di Gruppo I

Colonne non passanti, 3 lotti realizzati TRIDEAS Obiettivo generale: Sviluppare ulteriormente ed ottimizzare (sia a livello tecnologico che progettuale) rivelatori 3D con bordo attivo, orientati ad applicazioni in sLHC. Base di partenza: rivelatori 3D-DTC da progetto TREDI Colonne non passanti, 3 lotti realizzati

Fabbricazione @ FBK-irst In completamento entro l’estate (con ritardo) due lotti presso FBK: 3D con colonne passanti planari con bordo attivo Nuovo lotto 3D con bordo attivo: definita la tecnologia completato progetto e layout in corso wafer bonding detector wafer oxide support wafer Completamento lotto entro fine anno

Caratterizzazione Ottimi risultati su rivelatori esistenti sia in laboratorio che in beam test Rumore ENC vs polarizzazione in pixel con 2, 3, 4 elettrodi Distribuzione carica raccolta in pixel 2E a 35V di polarizzazione con sorgente beta Sr90 Il rumore scende con la tensione inversa, come da previsione teorica. Pixel con diverso numero di elettrodi verticali mostrano un trend corretto per il rumore, in accordo con le diverse capacita’ (maggiori se gli elettrodi sono in numero maggiore). I valori assoluti del rumore non sono molto superiori a quelli ottenuti con rivelatori planari. Le misure con sorgente dimostrano piena efficienza nella raccolta di carica.

Beam test al CERN Magnetic field (1.55 T) and Tilt angle B Field Angle Hit efficiency OFF 0o 99.0 % 15o 99.8 % ON 98.9 % Dipole magnet Pixel 3E Il beam test ha confermato l’ottima funzionalita’ dei rivelatori. In caso di incidenza normale delle particelle, si vedono zone a efficienza ridotta in corrispondenza degli elettrodi (che sono vuoti), con particelle inclinate l’efficienza tende uniformemente al 99.8%.

Risultati preliminari post-irraggiamento Irraggiamento con neutroni da reattore a JSI Ljubljana (05/10) (Fluenze di 1, 3, 5e15 1-MeV neq/cm2) Beam test CERN (June 14-21, 2010) ToT Distribuzione carica raccolta Post irraggiamento, c’e’ un degrado della carica raccolta, in quanto gli elettrodi hanno spessori non ottimizzati. Malgrado cio’, l’efficienza di tracking e’ buona e anche la risoluzione spaziale (le figure a destra mostrano i residui in X e Y rispetto alle posizioni determinate dal telescopio di riferimento, da valutare tenendo presente che il pixel e’ lungo 400 micron e largo 50 micron).

Piano attività 2011 Caratterizzazione elettrica e funzionale primo lotto di rivelatori 3D con bordo attivo Revisione processo/layout, sottomissione secondo lotto Test di irraggiamento e beam test al CERN sui migliori rivelatori del primo lotto 3D con bordo attivo

VIPIX Obiettivo generale: Sviluppo di sistemi a pixel per tracciatori sottili di particelle cariche basati su tecnologie di integrazione verticale (VI) Integrazione verticale fra 2 layer di cui uno contiene un sensore MAPS e il front-end analogico, e il secondo il readout digitale Pixel ibridi in VI: sensore a pixel ad alta resistività completamente svuotato abbinato a chip di lettura CMOS su due layer (analogico-digitale) mediante: a) integrazione verticale; b) bump-bonding

Status Perseguito finora l’approccio ibrido con bump bonding Progettati, fabbricati (FBK) e caratterizzati elettricamente pixel sottili con pitch x-y 50 micron Bump-bonding in corso a IZM con chip di read-out VI (2 layer)

Lotto VIPIX 1 Rivelatori a pixel “n-on-n”, spessore 200 mm, pitch 50 mm, p-spray isolation Buone caratteristiche elettriche. Tensione di svuotamento tra 15 e 20V, corrente di leakage sui diodi 5-7 nA/cm2. La figura di destra mostra la corrente totale di un rivelatore a pixel con matrice da 32x128 elementi, la corrente e’ circa 1 nA prima del breakdown che avviene abbastanza uniformemente a circa 70V, determinato dalla giunzione n/p-spray (valori corrispondenti alle attese).

Piano attività TN 2011 Approfondimento contatti con fornitore di servizio di interconnessione verticale Progetto di un nuovo lotto di rivelatori ottimizzati adatti all’assemblaggio con nuovi chip di lettura tramite tecniche di interconnessione verticale. Fabbricazione e caratterizzazione elettrica lotto ottimizzato Integrazione verticale con chip di lettura, test funzionali

Riassunto FTE 2011 Progetto \ Persona Ruolo TRIDEAS VIPIX Gian-Franco Dalla Betta PA 50% (resp) 20% (resp) Giovanni Verzellesi PO 50% Ignazio Lazzizzera 20% - Giorgio Fontana TC. EP Ambra Gresele Post-Doc. Marco Povoli Dott. 60% Vladyslav Tyzhnevyi Michele Benetti 100% Paolo Gabos Totale FTE per progetto 5.0 1.7

Riassunto richieste 2011 Progetto \ Voce TRIDEAS VIPIX Missioni interne: - riunioni tecniche e di coordinamento, attivita’ presso altre sedi 1.5 2.5 Missioni estero: Partecipazione conferenze internazionali Test di irraggiamento 4.0 Consumabili: - Mat. Laboratorio: probes, componentistica elettronica, connettori, supporti, laser, etc. Fabbricazione 1 lotto rivelatori @ FBK-irst (prezzo convenzione 2200 Euro/litografia) - Servizio di wafer bonding per il lotto di cui sopra 26.5 s.j. 8.0 s.j. Totale (k€) 9.5 + 34.5 sj 7.5 Le richieste inerenti la fabbricazione del secondo lotto sono sub-judice ai risultati del primo lotto

SOIPD Silicon On Insulator Dario Bisello KEK-LBNL-Padova collaboration

Silicon On Insulator (SOI) detectors ● CMOS electronics implanted on a thin silicon layer on top of a buried oxide (BOX): ensures full dielectric isolation, small active volume and low junction capacitance. ● Depleted radiation sensors can be built by using a high resistivity substrate and providing a technology to interconnect the substrate through the BOX ● The substrate voltage acts as a back-gate, changing the transistor threshold until making it unable to work for voltages > 15V. P+ implants (PSUB guard-ring) surrounding each pixel were implemented to mitigate the problem. SOI-IMAGER (2009) SON of SOI-IMAGER (2010) 0.20um OKI FD-SOI technology 256256 analog pixels (13.7513.75 um2) 4 analog outputs 5mm chip, 3.2mm active R&D version of last year’s SOI-Imager; sub-matrices of pixels with different flavours Delivered at the end of June 0.20um OKI FD-SOI technology 256256 analog pixels (13.7513.75 um2) 4 analog outputs 5mm chip, 3.2mm active Tested in 2009

Workshop on Vertical Integrated Pixel Sensors Tests on SOI-Imager No evident peak corresponding to 5.9 keV X-ray photon from 55Fe source; the spectrum is “spread”, with a shoulder. Two possible explanations: the guard-ring steals part of the charge there is a large component of diffusion in the undepleted volume Calibration is still possible in the hypothesis that the shoulder corresponds to the right part of the Gaussian peak. ADC cnts For typical working voltages (up to Vback = 15V, before triggering the back-gate effect), the noise of the detector is  60 e-. At Vback = 15V, the corresponding depleted depth is  30m. Results presented at VIPS 2010 Workshop on Vertical Integrated Pixel Sensors Pavia, 22-14 April 2010

Radiation damage tests SOI technology is particularly sensitive to Total Ionizing Dose (TID), due to positive charge trapping in the thick buried oxide. This problem is still more concerning for depleted detectors built in this technology. Total Dose tests were performed at the X-ray facility at the Laboratori Nazionali di Legnaro, for different depletion voltages. Results presented at: RADECS 2009 European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems Bruges, September 14-18 2009 TWEPP 2009 Topical Workshop on Electronics for Particle Physics Paris, September 21-25 2009 Tests shown that, provided a way to keep low the voltage under the BOX, this technology can tolerate a dose level up to 1Mrad, opening up possibilities for the application of such detectors in HEP experiments. With respect to Single Event Upsets (SEU), SOI devices were traditionally considered more radiation hardened than the standard bulk CMOS technology (smaller charge collection volume). Vback = 0V Vback = 7V SEU cross section studies were performed at the SIRAD irradiation facility of the Laboratori Nazionali di Legnaro, for two different depletion voltages (Vback=0V and Vback=7V). No significant differences can be observed in the LET threshold (LETthr  4 MeV·cm2/mg), nor in the saturated cross section (sat  10-6 cm2) for the two different biasing configuration .

The new SON of SOI-Imager chip The last chip produced (Son of SOI-Imager) exploits a new process provided by the foundry: the Buried P-Well (BPW) implantation, consisting of a low-doped implant below the BOX. The BPW should efficiently screen the top-electronic from the voltage applied to the substrate. The back-gate effect should hence be reduced and the radiation tolerance of the technology should improve. This chip features 8 different pixel flavors, combining together different configurations for the collecting diode, the PSUB guard-ring around each pixel and the BPW process. 8 pixel flavors Buried P-Well process Preliminary results on the chip show that some sectors are properly working up to several tens of volt. No guard-ring around the pixel and BPW below the electronics: 55Fe peak at 5.9keV is visible at Vback = 60V! SOIPD 2010

Future activity: 2010 Future activity: 2011 Complete the test on the chip just arrived (with the 55Fe source) Tests on the chip thinned down to 50m. Fully depletion might be possible (back-illumination with laser, 55Fe spectra with no component of diffusion, …) Micromapping of SEU sensitivity with the Ion Electron Emission Microscope at Laboratori Nazionali di Legnaro Test beam at CERN (September) Test with monochromatic X-ray photons at the X-ray facility of Legnaro in the energy range 5-15keV New submission with improved design at the end 2010 Future activity: 2011 Test of the new production (55Fe source, Infrared laser, …); characterization of the chip with backthinning and backprocessing (UV, soft X-rays, …) Assess radiation hardness of the technology with the BPW process (total dose, SEE) Test beam at CERN with a full SOI telescope (4 layers) OK for a final production of a commercial 1024×1024 pixel chip

Personnel, Budget, Services J. Wyss 30 A. Candelori 50 S. Mattiazzo 40 M. Nigro 100 D. Bisello 30 L. Silvestrin 100 Miss. Interno 1 K€ Miss. Estero 8 “ Consumo 11 “ ------------- Tot. 20 K€ Elettronica Partecipazione test, disegno boards, preparazione e partecipazione test beam, partecipazione e preparazione irraggiamenti: 15 m/u Meccanica Meccanica per test beam e per linee irraggiamento: 4 m/u

LePix Dario Bisello Sviluppo di rivelatori a pixel monolitici veloci e rad-hard implementati in processi CMOS standard da 90 nm prodotti su wafer a moderata resistività. Bari, Padova, Torino (R.N. Angelo Rivetti), CERN & Strasbourg

LePix: what’s new Deep submicron CMOS processes (90 nm nodes) in wafer of higher resistivity (> 100 W · cm). Higher substrate resistivity enhances the separation between different circuit blocks (better insulation between digital and analogue). A resistivity of 200 W · cm allows a uniform depletion layer of 30 mm – 40 mm with a reverse bias voltage of 100 V. Collection by drift + moderate resistivity: good radiation hardness (adequate for LHC upgrades, leptonic machines).

Pixel matrix with “Small” input device LePix: matrixes Top chip matrix 32x6 pixels, (insulated from the matrix core) Low vt thin PMOS Thick PMOS device NMOS device 32 x 16 continuous reset (with transistor) Pixel matrix with “Small” input device (W=1.5um x L=100nm) 32 x 16 active reset (with diode) Digital blocks + Pixel matrix with “Large” input device (W=5um x L=240nm) Bottom chip PADS Readout analog (Maps-like or CSA)

test setup LePix: DAQ system Custom made, credit card size mezzanine with onboard temperature sensor and memory for plug-and-play chip identification. 1 buffered and differential sequential output for matrix readout plus 16 parallel buffered only outputs for test pixels monitoring. Mezzanine carrier board. Hosts LVDS to single ended translation chips, DACs for bias level remote control, power supply and conversion circuits. Main DAQ box, the same used for the SOI project with improved firmware and software. 4 14bits, 100 Msample/s ADC plus 32 In and 32 Out LVDS lines. Planned testing with 55Fe, laser source, beam

2010 LePix: 2010 planning Matrixes and test structures have been delivered to CERN June 23 CERN (M. Moll) is testing the diodes, and should have results by the end of July Padova is completing the DAQ and test system for the matrixes Measurements on matrixes are planned to start by the end of August It will take some months for a comprehensive technology and design evaluation. After the first month of measurements on the matrixes (by the end of September) we should have enough data to drive a next version design. Submission of an improved design looks highly feasible by the end of the year

2011 Produce, test, deliver more DAQ systems to italian collaborators LePix: 2011 planning Test new, improved devices Produce, test, deliver more DAQ systems to italian collaborators Organize and peform radiation tests (total dose, SEE) at LNL. Test beam at CERN to characterize actual tracking capabilities Submission of an improved, application oriented design by the end of the year Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 611 (2009) 105–110 TechnicalNote A DAQ system for pixel detectors R&D M. Battaglia a,b, D.Bisello c,d, D.Contarato b, P.Giubilato b,c, , D.Pantano c, M.Tessaro d

Elettronica Meccanica Personale J. Wyss (RL) 0.70, A. Candelori 0.50, S. Mattiazzo 0.30, G. Viesti 0.30, A. Paccagnella 0.30 M. Tazzoli 0.70, M. Bagatin 0.30, D. Pantano 0.50 Richieste finanziarie interno estero consumo inventario TOTALI PD 2.00 5.00 ( + 4.00 ) 21.00 0.00 28.00 ( + 4.00 ) Elettronica Partecipazione tests 2 m/u Disegno boards Partecipazione test beams Preparazione DAQ 6 m/u Irraggiamenti 3 m/u 15 m/u Meccanica Meccanica per test beam 2 m/u Meccanica per irraggiamenti 4 m/u