Studio e caratterizzazione di rivelatori al silicio: Silicon Drift Detectors per la rivelazione di raggi X STAGE invernale 2007 Studenti: De Giglio F.- L. C. James Joyce Masini A. – L. C. James Joyce Putorti M. - L. C. James Joyce Camosi L. - L.S.S. Primo Levi Pollastri S.- L.S.S. Primo Levi Cascelli C.- L.C. Virgilio Ursino V .- L.C. Virgilio Tutors: Catitti M. Sirghi F. Sirghi D. 1di 25

Indice argomenti I Raggi X: cosa sono, come vengono prodotti, dove vengono impiegati I Rivelatori al silicio: principio di funzionamento DEAR & SIDDHARTA: esperimenti di fisica Esperienze di laboratorio: - studio della legge di Ohm - studio di un amplificatore - studio di un ADC Analisi DATI: teoria e analisi 2 di 25

I raggi X I raggi x sono onde elettromagnatiche apparteneti ad una banda dell’intero spettro elettromagnetico λ =c/ν 100eV<E<1000Kev λ -Lunghezza d’onda (m) ν - Frequenza (Hz) E - energia in eV c – velocità della luce (m/s) 3 di 25

come si producono I Raggi X vengono prodotti da sorgenti radioattive o da particolari dispositivi chiamati tubi di raggi X Gli elettroni prodotti dal filamento nel tubo vanno a colpire un bersaglio di materiale pesante e per un fenomeno fisico complesso vengono emesse radiazioni nella banda dei raggi X 4 di 25

Applicazioni studi sul patrimonio culturale: grazie al fenomeno della fluorescenza ogni materiale colpito da raggi x emette energia tipica del materiale di cui è composto, quindi analizzando lo spettro possiamo strudiare gli elemeti che compongono campione. Applicazioni mediche: per la diagnostica Nell’industria metallurgica 5 di 25

I rivelatori al silicio I rivelatori al silicio sono strumenti elettro-meccanici che sono in grado di rivelare e misurare I raggi X I raggi x sono o.e.m. ionizzanti creano all’interno del rivelatore coppie elettroni-lacune (es. nel Silicio) 6 di 25

I rivelatori al silicio Il silicio usato per costruire I nostri rivelatori non è quello presente in natura ma viene modificato con un processo che si chiama “drogaggio” che può essere di tipo P e di tipo N. Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (Negative) Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positive) 7 di 25

I rivelatori al silicio Se uniamo un cristallo di silicio N e uno P otteniamo una giunzione P-N che rappresenta il nostro rivelatore Ogni qual volta una particella con una certa energia passa attraverso un rivelatore si creano coppie elettrone – lacuna , nei rivelatori al silicio ci vogliono 3,6 eV per formare una coppia elettrone - lacuna 8 di 25

 Dear e- e+ K+ K- Dafne Exotic Atoms Research L’esperimento DEAR studia gli atomi esotici prodotti in DAFNE dai kaoni negativi risultati dal decadimento delle f prodotte nelle collissione elettrone e positrone 9 di 25

Dear L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone una particella che si chiama Kaone Il Kaone negativo viene catturato in uno stato eccitato; in seguito avviene la diseccitazione. A noi interessa la transizione dal livello 2p al 1s con l’emissione di un raggio X con energia pari a 6.2 KeV. Idrogeno Kaonico Idrogeno 10 di 25

Dear In DEAR per misurare questi raggi X sono stati usati rivelatori CCD (Charge Coupled Device) Le CCD sono dispositivi allo stato solido a trasferimento di carica, immagazzinano informazioni sotto forma di carica elettrica, ma hanno tempi di lettura relativamente elevati, quindi molto sensibili al rumore 11di 25

Rumore Il fondo (background) rende difficile fare misure molto precise dei livelli di energia Lettura lenta aumenta il fondo Sincrono Asincrono Un buon rapporto tra segnale e fondo da al nostro rilevatore anche una buona Risoluzione. Il TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il livello del fondo ma non può essere applicato alle CCD (che sono troppo lente). 12 di 25

Siddharta Silicon Drift Detector for Hadronic Atom Research by Timing Application Per usare il trigger vengono ultilizzati nell’esperimento siddharta altri rivelatori con stessa risoluzione in energia ma con tempi di lettura molto più rapidi: le SDD (Silicon Drift Detector) SDD SIDDHARTA CCD DEAR 13 di 25

Siddharta Gli elettroni che si creano al passaggio dei raggi X vengono raccolti verso l’anodo, la capacità delle SDD è indipendente dall’area attiva abbiamo migliori prestazioni. Capacità C=εo εrS/d anodo anodo 14 di 25

Esperienze di laboratorio studio della legge di Ohm Nella prima esperienza di laboratorio abbiamo studiato la legge di Ohm mediante il metodo volt-amperometrico V(Volt) = R(Ohm) x I (Ampere) Y = A*X+B (B = 0) ; V = R*I X V , Y  I I = (1/R) *V R = 1/A 15 di 25

Esperienze di laboratorio studio di un amplificatore Abbiamo progettato, simulato con Pspice e testato un l’amplificatore operazionale modello OP27 in configurazione non invertente con guadagno in tensione A=2 R1 = 1.2 K R2 = 1.2 K A = 1 + (1.2/1.2)  A = 2  Vu = 2* Vi 16 di 25

Esperienze di laboratorio

Esperienze di laboratorio studio di un amplificatore Abbiamo verificato in entrambi i casi che il quadagno calcolato A=2 era esatto sia nelle simulazioni che nelle misure sul circuto costruito dove la Vout è il doppio dell Vin 18 di 25

Esperienze di laboratorio studio di un ADC I segnali che nascono dalla maggior parte dei fenomeni fisici sono tipicamente variabili con continuità sia nel tempo che nelle ampiezze. Affinché questi segnali possano essere elaborati dai sistemi digitali risultano necessarie opportune operazioni di conversione. Tali trasformazioni vengono effettuate dal : convertitore analogico/digitale (Analog to Digital Converter, ADC) e il convertitore digitale/analogico (Digital to Analog Converter, DAC). I vantaggi nella rappresentazione digitale sono:minore sensibilità al rumore,facilità di trasmissione, alta capacità di elaborazione 19 di 25

Esperienze di laboratorio studio di un ADC campionamento e quantizzazione Per completare lo studio dei principali dispositivi contenuti nell’esperimento abbiamo studiato montato e testato un converitiore analogico digitale A/D Funzione continua Funzione discreta 20 di 25

Esperienze di laboratorio studio di un ADC campionamento e quantizzazione Per passare da un segnale analogico, variabile con continuità nel tempo e nelle ampiezze, alla sua forma digitalizzata, si rendono necessarie due operazioni fondamentali: il campionamento (A) e la quantizzazione La quantizzazione delle ampiezze è ottenuta suddividendo il campo dei valori possibili FSR in intervalli elementari o di quantizzazione di ampiezza q. FSR = Vmax - V min 20 di 25

Esperienze di laboratorio studio di un ADC il codice binario Per rappresentare i livelli discreti che scaturiscono dalla quantizzazione si impiegano parole di codice ottenute tramite opportuna codifica. L’obbiettivo è quello di stabilire una corrispondenza biunivoca fra i livelli di quantizzazione e le parole di codice nel nostro caso il codice binario. È il linguaggio utilizzato dalle macchine elettroniche: Computers, i-pod,etc Codice binario Una serie binaria è costituita da una successione finita di “0” e “1” 20 di 25

Esperienze di laboratorio studio della legge di Ohm In particolare noi abbiamo studiato e testato il convertitore AD 0804 a 8 bit, utilizzando come segnale analogico un valore variabile in tensione da 0V a 5V ed effettuando la lettura dei bit tramite diodi LED diodo acceso “1” logico diodo spento “o” logico 21di 25

Esperienze di laboratorio studio di un ADC il codice binario 21di 25

analisi dati Dati dal rivelatore spettro Con l’analisi dati si studiano le informazioni acquisite tramite il rivelatore. Questo studio consiste nell’osservazione dello spettro energetico Dati dal rivelatore spettro Rappresenta graficamente la distribuzione del numero di particelle che formano la radiazione in funzione della loro energia 22 di 25

analisi dati Il rivelatore fornisce il numero di eventi in relazione ai canali, per determinare il valore energetico del canale dobbiamo effettuare una calibrazione. Utilizzando il programma Origin 5.0 abbiamo effettuato un “fitting” dei dati a disposizione ottenendo una distribuzione di Gauss che caratterizza la forma di un picco. 23 di 25

analisi dati = valore medio (la posizione del picco) La forma del picco può essere caratterizzata da una distribuzione di Gauss. = valore medio (la posizione del picco) = deviazione standard = larghezza a meta altezza (full-width at half maximum:FWHM) risoluzione del rivelatore 1di 25