DACEL Padova Unit INFN – Padova DEI – Università di Padova D. Bisello

Evaluation of IBM CMOS8 for use in the S-LHC Evaluation of IBM CMOS8 technology for use in the harsh radiation environment of S-LHC –Evaluation of Total Ionizing Dose (TID) sensitivity (completed in 2007) –Impact of bias conditions –Study of the interplay between radiation and aging effects, through accelerated electrical stress on irradiated devices and vice versa (started in 2007) –Evaluation of Single Event Gate Rupture: assessment of critical voltage for rupture (started in 2008)

Ongoing Work on IBM CMOS8 –Long-term reliability of irradiated MOSFETs –TID + Channel Hot Carrier Stress (almost completed) –Degradation of Enclosed Layout Transistors (ELT) –TID + Fowler-Nordheim Stress (in progress) –Single Event Gate Rupture –First irradiation run with heavy ions carried out in July 2008 –Data on both unirradiated and irradiated test structures –Publications –M. Silvestri et al. “Channel Hot Carrier Stress on Irradiated 130-nm NMOSFETs”, IEEE Trans. Nucl. Sci., In press –M. Silvestri et al. “Degradation induced by X- ray and Channel Hot Carrier Stresses in 130- nm NMOSFETs with enclosed layout”, accepted for presentation at NSREC 2008 Degradation kinetics under channel hot carrier injection of irradiated and unirradiated MOSFETs From M. Silvestri et al. to be presented at NSREC 2008

Future work Complete work on long-term reliability of irradiated devices –Investigate annealing effects after combinations of electrical stress and radiation exposure –Complete assessment of Time to Dielectric Breakdown in irradiated structures –Consider other aging phenomena, such as Negative Bias Temperature Instability, in combination with radiation damage Complete work on Single Event Gate Rupture –Study the rupture of gate oxide as a function of previous received total dose

Ricercatori coinvolti e richieste economiche e servizi A. Candelori Ass. 30% A. Paccagnella PO 20 RL M. Silvestri PhD 100 Miss. Int. (LNL e riunioni) 2 keuro Miss. Estero (2 week CERN + 1 Conf.) 4.5 Consumo (tubo raggi X + dosimetria CN) 3.5 Tot. 10 keuro Servizi: -2 m/u LOE per assistenza misure -2 m/u LOE per rimessa a punto macchina radiogena e nuova dosimetria CN

FAIR 2008 – 2009 PADOVA E. Conti Rivelazione di raggi cosmici di alta energia dalla luce di fluorescenza dell’atmosfera nel NIR

Programma di ricerca proposto Misure con cannone elettronico (90 kV) + InGaAs (0.8 – 1.7 mm) + spettrometro Michelson – Morley e spettrometro Jobin-Yvon (Lenti di Fresnel)

First negative system of N InGaAs Si Lente di Fresnel (0.5 x 1 m2) Camera a CCD

Componenti: E.Conti (resp.) 30% G.Sartori 70% M.Cresti 100% M.Benettoni 30% G.Viola (tecn.univ.) 20% Tot.FTE:2.5

Trasferte interne (a LNL): 3k€ Consumo 24k€ (materiale ottico, fotodiodi, filamenti per cannone elettronico, fototubo IR Hamamatsu): Inventariabile 10k€ (preampl. low-noise, cooler per PMT IR): Richieste finanziarie Off. Meccanica: 2 mesi/uomi Off. Elettronica: 1 mese/uomo Richieste a sezione

Padova LL-MIR2 A. Pepato Progettazione e realizzazione di una testa in fibra di carbonio (Ø = 1800 mm) per la lavorazione di specchi asferici esagonali di superficie fino a 2.20 m 2 per CTA. Prosecuzione precedente finanziamento LL-MIR

MOTIVAZIONI SCIENTIFICHE I risultati della collaborazione LL_MIR (light & large mirrors): Esp. MAGIC2: produzione di specchi da 1.00 m 2 ( 4 x 0.25 m 2v ), sandwich con pelli in Al ed honeycomb in Al+SiO 2 preforato 2 superfici sferiche, rugosità < 5 nm, spot (R 90 nel visibile) da 5 mm 2 ; luminosità 4 volte maggiore. Peso 12 kg. Costo ≈ 3000 €  no backframe e allineamento x 4 ( riduzione dei costi ) Progetto CTA Previsti telescopi di Ø = 34 m con Ø / ƒ = 1 (MAGIC). Mantenendo le prestazioni richieste è necessario : - aumentare la superficie sensibile fino a 2.20 m 2 - struttura esagonale (abbattere i costi e il peso) - realizzare una testa in materiale composito (non reperibile sul mercato), per stabilità dimensionale e rigidezza; - si propongono specchi asferici (con doppia curvatura) È previsto un trasferimento tecnologico con la ditta LT-ULTRA unica a lavorare gli specchi di grandi dimensioni Stato dell’arte Pronto il tooling. Fibra acquistata. Realizzati molti pezzi della testa da assemblare in autoclave Ma… Autoclave vecchia fuori uso (La nuova ordinata arriva a settembre) Ritardi per avvicendamento personale dedicato D. Maniero  Pedrotta. Progetto presentato a meeting MAGIC – HESS ha suscitato forte interesse (Ekart) x costi e prestazioni previsti.

Ø = 2.5 mm

Padova M.Doro (20%) M.Mariotti (20%) L. Peruzzo (30%) M.Benettoni (20%), A. Pepato (30%) Totale FTE 1.2 Composizione del gruppo Richieste 2009 Consumo 54 k€ Trasferte estero 3 k€ Officina meccanica 3 Mesi/uomo Officina elettronica 0 Mesi/uomo

MI-PDMICRO-SI MICRO-SI: SVILUPPO DI UN MICRODOSIMETRO AL SILICIO PORTATILE Responsabile Nazionale: Stefano Giulini Castiglioni Agosteo, Dipartimento di Ingegneria Nucleare, 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 (Ric INFN, 20%)responsabile locale Franco Gonella (Tecn., 20%) Ivano Lippi (Ri.c INFN, 20%) Matteo Pegoraro (Dir. Tecn., 20%) Pierluigi Zotto (PA, 30%) Micro-si

Scopo dell ’ esperimento MICRO-SI Lo scopo dell’esperimento è la realizzazione di un microdosimetro al silicio portatile, strumento poco ingombrante, leggero e basato su un’elettronica a basso rumore che permetta di effettuare la caratterizzazione di campi di radiazione nelle missioni spaziali, nella radioterapia e nella ricerca. Misure di radiazioni di basso LET, adroni carichi, fasci pulsati, concentrazione di 10 B in campioni di tessuto epatico (reattore LENA a Pavia) Normalmente si usano TEPC (contatori proporzionali) I vantaggi dell’uso del silicio sono 1.Sistema semplice a basso costo 2.Portabilità 3.Alta risoluzione spaziale 4.Buona risoluzione energetica 5.Possibilità di integrare array di dosimetri Possibili problemi 1.Possibili effetti di bordo 2.Tessuto-equivalenza

Rivelatore e catena  E stage n + (As) n + (P) p+ (B) deep imp ~2  m 500  m E stage Custom Charge sensitive preamplifier Spectroscopy Amplifier (τ = 3 μs) ΔE stage Polyethylene radiator Multi- parameter MCA E stage Custom Charge sensitive preamplifier Spectroscopy Amplifier ( τ = 2 μ s) E chain PC ΔE chain Prototipo dei milanesi ingombrante da miniaturizzare

The 1 mm 2 device Front view I ΔE = 40 pA C ΔE = 170 pF C E = 2 pF I E = 60 pA ΔE stage E stage

Risposta ai neutroni del microdosimetro in silicio (SISP) ~20 keV Effetti geometrici

Sviluppi previsti in MICRO-SI L’interesse del gruppo di Padova: sviluppo dell’elettronica a basso rumore (~500 elettroni ~ 4 keV) multicanale inclusivo di amplificatore, shaper, convertitore ADC e interfaccia di uscita (possibilmente USB). L’elettronica sarà sviluppata su un microdosimetro ad array di pixel di nuovo disegno (prototipo gia’ disponibile) 6 array x 6 cells Ø 500 µm

autunno 2008: - costruzione della camera di irradiazione (pozzetto di Faraday) per adroni carichi (protoni e particelle alfa) per i LNL;(in costruzione) - determinazione della risposta angolare della matrice di rivelatori a telescopio (ad autunno CN); - test preliminari al LENA (reattore con neutroni termici). Dicembre 2008 – primavera 2009: - progetto e produzione di un amplificatore integrato multicanale di carica a basso rumore (nel 2008 studio di fattibilita', nel 2009 uno/ due batch di produzione di prototipi dell'amplificatore e dell'elettronica di readout, i.e. ADC etc - studio di fattibilità di un amplificatore integrato multicanale di carica a basso rumore; Dicembre 2009: - produzione dei prototipi dell'amplificatore e dell'elettronica di readout dell’amplificatore integrato multicanale di carica a basso rumore. Dicembre 2010: - produzione e test del modello definitivo dell'amplificatore e dell'elettronica di readout dell’amplificatore integrato multicanale di carica a basso rumore. Milestones (sviluppo temporale)

2009 Mat inventariabile0 Consumo15.0 (un lotto di prototipi EuroPractice) Trasferte interne4.0 (2 sett*uomo a LENA – Pavia) Trasferte all’estero2.0 ( few day*uomo CERN) Totali21 Preventivo di spesa (k € ) Elettr.: 2 Mesi/Uomo produzione PCB per prototipi amp + sistema di controllo per camera di irraggiamento Mecc.: 1 Mesi/Uomo supporto per messa a punto camera di irraggiamento

Neutra Misura della neutralita’ della materia D( Q e – Q p ) D Q n D Q neutrino Un Vecchio Problema mai Risolto : La quantizzazione della carica Padova Pavia Trieste

laser Proposta di R&D Sfere Cave Alto Q acustico = 10^4 Da VERIFICARE 2008 Mirror Photodiode 10^5 better than Mic. P gas = 10 atm Cryogenic Operation Possible Elettrodo HV Sembra comunque sbagliata !!!! Stiamo verificando sperimentalmente

SFERA ALLUMINIO DIAMETRO 40 CM Elettrodo Alta Tensione Altoparlante +Vuoto + Gas

Decay time = 2,5 secondi 2 secondi/quadretto Q = 10^4 SFERA RIEMPITA CON AZOTO P = 5 Bar T = 22 °C SBLOCCO S.J. NON POSSILE PER TRASDUTTORE OTTICO (???) Lettura con Microfono Standard Frequenza risonanza = 1270,22 Hz

Formula Dissipazione Acustica di Azoto Dipende da gamma e conducibilita’ termica Nostre Misure al 20% entro la Teoria

NEUTRA Attivita’/Richieste Lettura Trasduzione Ottica Pressione (Sblocco S.J. 2008??) - Alta Tensione e Stima Sensibilita’ attraverso Segnale Polarizzazione G.Carugno, G.Sartori, F.Borghesani (1,7 FTE) 52 Keuro 2009 Richieste sezione : 6 mesi Off. Meccanica,4 mesi Off elettronica 3 Studenti della specialistica per Laboratorio Componenti gruppo PD : - Possibile nuovo approccio attraverso segnale di defasamento luce

DASiPM 2 Trento, 2009 Gian-Franco Dalla Betta DISI, Universitá di Trento INFN – Padova, Gruppo Collegato di Trento Tel.: ,

DASiPM 2 Development and Applications of SiPM to Medical Physics, Space Physics and High Energy Physics Silicon PhotoMultiplier (SiPM): matrice bidimensionale di diodi a valanga Geiger-mode con resistenze di quenching connessi in parallelo Segnale in uscita proporzionale al numero di pixel colpiti (dinamica ~ numero totale di pixel). Q = Q 1 + Q 2 = 2*Q 1 substrate metal Alternativa a PMT per varie applicazioni 625 celle 1mm Dispositivo ultra-sensibile (singolo fotone) e veloce (~100ps)

-Realizzati 2 lotti di matrici di SiPM con lettura laterale -Caratterizzazione elettrica completata, buoni risultati -Caratterizzazione elettro-ottica (photon detection efficiency in corso) -Buoni risultati da caratterizzazione funzionale condotta presso altre sezioni (Pisa, Perugia) -Ritardo nella realizzazione delle strutture di prova con lettura dal retro (feed-through), a causa della indisponibilita’ dell’attrezzatura di Deep Reactive Ion Etching, ora finalmente acquisita da FBK e pronta all’uso. Status

Caratterizzazione elettrica lotto 4 1x1mm 2 SiPM with 40x40  m 2 cells T=5C T=20C Guadagno e dark count a diverse temperature Ottimo accordo con previsioni teoriche

1 mm x 1 mm SiPM, 1.06 mm pitch Curve IV molto uniformi Variazioni tensione di breakdown voltage entro 0.6% Matrici monolitiche 4x4 SiPM Misure elettriche

Test funzionali (PG - PI) Timing with scintillation fibers better than 3ns, mainly due to fiber decay time (was ~ 100ps as measured with laser on SiPM alone) 16 (4x4) LSO crystals Perfect match to the 4x4 SiPM matrix Typical energy resolution ~ 18% (dal 15 al 20) % Na-22 spectrum

Piano attività futura Secondo semestre 2008  Completamento test sul lotto 5 (matrici SiPM con lettura laterale)  Realizzazione e caratterizzazione di strutture di prova per lettura sul retro (feed-through), attualmente in corso il disegno del layout 2009  Progetto, fabbricazione e caratterizzazione di 1 lotto di matrici di SiPM con lettura sul retro

Riassunto FTE 2009 Progetto \ PersonaRuoloDASIPM2TRIDEASVIPIX Giovanni SonciniPO30% 40% (resp) Gian-Franco Dalla BettaPA30% (resp.) 50% (resp)20% Giovanni VerzellesiPO-50% Giorgio FontanaTC.EP50% - Andrea ZoboliDott.-100%- Vladyslav TyzhnevyiDott.-50% Thanawee ChodjoursawadDott.100%-- Totale FTE per progetto dottorando da associare per il 2009 (Paolo Gabos, XXIV ciclo)

Riassunto richieste 2009 Progetto \ VoceDASIPM2 (k€) Missioni interne: -riunioni tecniche e di coordinamento -Partecipazione convegno (Pisa Meeting on Advanced Detectors) Missioni estero: -Partecipazione conferenza internazionale (IEEE NSS Orlando 2009) 3.0 Consumabili: - Fabbricazione 1 lotto di matrici di SiPM con FBK-irst - Mat. Lab. probe-card, componentistica elettronica, connettori, supporti, laser, etc Totale (k€)43.2