Università degli studi di Firenze Scuola di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di laurea triennale in Fisica e Astrofisica Verifica della linearità.

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1 Università degli studi di Firenze Scuola di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di laurea triennale in Fisica e Astrofisica Verifica della linearità del preamplificatore CASIS per l'esperimento GAMMA 400 (Linearity test of preamplifier CASIS for experiment GAMMA 400) Candidato: Gabriele Frigenti Relatore: Oscar Adriani Anno accademico 2011 – 2012

2 La presentazione Esperimento GAMMA 400 Elettronica CASIS Apparato di misura Stima dell'errore Analisi dati Rapporto di guadagno di CASIS Grafico di verifica della linearità Conclusioni e miglioramenti

3 3 Missione spaziale GAMMA 400 Collaborazione internazionale Roscosmos - INFN Misura dello spettro di Raggi gamma (30-1000 GeV) Elettroni (TeV) Nuclei leggeri (Z<26) (fino a 1000 TeV) Calorimetro: 20x20x20 cubetti di ioduro di cesio (CsI) Ampio range di energia : elettronica lineare su molti ordini di grandezza!

4 4 CASIS Letture multiple (fino a 16 canali) Basso rumore Ampia dinamica di ingresso (fino a 52 pC)

5 5 Stadio di ingresso e doppio guadagno

6 6 Idea della misura Verifica della linearità : V out,CASIS vs. Q iniettata Illuminazione LED: controllo tramite I LED e τ P LED ∝ I LED I LED : gradino di durata τ LED e fotodiodo: risposte istantanee

7 7 Apparato di misura

8 8 Variare gli impulsi di carica Simulazione scintillazione cristallo CsI Due configurazioni di corrente I low (10mA) & I high (100mA)

9 9 LED e fotodiodo LED : Vishay VSMB2000X01 Fotodiodo : PerkinElemer Optoelectronics VTH2090 λ LED = 940 nm (match con fotodiodo) P LED dipende da T : misure di temperatura (resistore Pt 1000)

10 10 Piedistallo Misura di piedistallo: LED spento Alto guadagno Valore medio (P) = ( 12590 ± 5 ) ADC

11 11 Letture Configurazione sperimentale: Basso guadagno I LED = I low τ = 1.4 μs Valore medio (L) = ( 13530.0 ± 0.3 ) ADC

12 12 Segnali Configurazione sperimentale: Basso guadagno I LED = I low τ = 1.4 μs Valore medio (S) = ( 920.4 ± 0.3 ) ADC

13 13 Raccolta dati Indagare il comportamento di CASIS in varie configurazioni Guadagno e corrente fissati : variazione dei τ, misura di S Misure di temperatura con Pt1000 (3.9 Ω/°C)

14 14 Errore su S Sorgenti di errore multiple : Rumore elettronico ( ΔS fit ) Instabilità piedistallo ( ΔP tot ) Oscillazione termiche LED ( ΔS term )

15 15 Errori del piedistallo ΔP oscillazioni = 30 ADC ΔP spostamento = 35 ADC (solo per bassi guadagni)

16 16 Effetti termici Escursioni nello stesso set di misure : incertezza aggiuntiva su S Spostamento della temperatura media : correzione per “termalizzare” le misure

17 17 S vs τ : 10mA Alto guadagno

18 18 S vs τ : 10mA Basso guadagno

19 19 S vs τ : 100mA Alto guadagno

20 20 S vs. τ : 100mA Basso guadagno

21 21 Determinare il rapporto di guadagno Confronto :

22 22 Verifica della linearità Costruzione del grafico di verifica della linearità : deve contenere tutta l'informazione sperimentale Definire grandezze per comparare misure da gruppi diversi Stimolo (X) : quantificare l'intensità della carica iniettata Risposta (Y) : quantificare la reazione di CASIS alla carica, l' “intensità” del conteggio Ogni misura ha i propri X e Y

23 23 Stimoli Stimoli (X) : quantificano intensità della carica iniettata 1 a definizione : Unità arbitraria della scala: X adimesionale e di ordine unitario

24 24 Risposte Risposte (Y) : quantificano la reazione di CASIS Si portano tutti i conteggi in basso guadagno Unità arbitraria affinchè Y=1 corrisponda ad X=1

25 25 Calcolo di X e Y 10mA Alto guadagno 10mA Basso guadagno 100mA Basso guadagno 100mA Alto guadagno

26 26 Risposte vs Stimoli Y=αX+β α = (1.010 ± 0.002) β = (-0.0012 ± 0.0002)

27 27 Risposte vs Stimoli

28 28 Risposte vs Stimoli

29 29 Residui

30 30 Conclusioni e miglioramenti Linearità verificata su circa 3 ordini, entro un errore del 5% Stima del rapporto di guadagno: g = (19.34 ± 0.06) Regione di saturazione raggiunta LED meno potente (indagine della zona X < 0.01) Ridurre l'errore sistematico Led più stabile in temperatura (riduce ΔS term ) Piedistalli in entrambi i guadagni (elimina ΔP spost ) Ad ogni segnale il suo piedistallo (riduce ΔP oscill )

31 31 Fine

32 32 Extra

33 33 Riassunto fit

34 34 Formule complete per g e R c

35 35 Errori termico su S

36 36 Normalizzazione della temperatura

37 37 Risposte e Stimoli Gruppo 100mA, Basso guadagno Gruppo 10mA, Basso guadagno

38 38 Risposte e Stimoli Gruppo 100mA, Alto guadagno Gruppo 10mA, Alto guadagno

39 39 Modello Slide da correggere ma non mi viene in mente come....