May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab1 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale FPIX0 64x12cells 8 bit external ADC FPIX1 160x18cells 2.

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1 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab1 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale FPIX0 64x12cells 8 bit external ADC FPIX1 160x18cells 2 bit internal FADC ST1-CiS p-stop ST2-CiS p-spray Bonded active area 3.2x4.4mm 2 Two ST1-Seiko p-stop ST2-Seiko p-spray Bonded active area 8x6.8mm 2 Test con fascio di pioni a 227 GeV ( m. scattering um ). Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a microstrip di Si ( risoluzione 2um non deconvoluta dai dati ).

2 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab2 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Raccolta di carica =28850e - Q mp =23380e - Distribuzione di Landau convoluta con una gaussiana Saturazione del FE per CS=1 400 m 50 m Perdita di carica nel sensore p-spray con anello flottante Raccolta di carica uniforme nel sensore p-stop La perdita di carica non e intrinsica alla tecnologia p-spray ma e dovuto a questo particolare design.

3 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab3 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Divisione di carica Divisione di carica nel caso in cui la traccia incidente non e perpendicolare. Divisione di carica in presenza di un campo B (angolo di Lorentz). Divisione di carica dovuto alla diffusione dei portatori. Meccanismi responsabili della divisione di carica Divisione di carica capacitiva: lettura ogni NxN pixel. V0V0 V AC

4 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab4 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale Algoritmo digitale x Q Fluttuazione di carica qLqL qRqR Algoritmo head-tail Divisione di carica e risoluzione spaziale dove La posizione della traccia e correlata con la carica raccolta dai pixel agli estremi del cluster. Si riduce al baricentro di carica per N=2 e f= p/2 p=pitch P=frazione di sharing

5 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab5 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale La correzione f puo essere estratta dai dati studiando la correlazione tra la posizione della traccia ed il residuo digitale. La correzione f dipende dallangolo della traccia e dalla molteplicita del cluster Traccia a 0 gradi nominali Traccia a 10 gradi nominali

6 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab6 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale Traccia fittata con il filtro di Kalman X pred = proiezione sul piano del fit fatto utilizzando tutti i piani ad eccezione di quello in esame ( pred = 1.9 m). X meas = coordinata misurata dal piano in esame utilizzando lalgoritmo head-tail. Risoluzione = dispersione dei residui (X pred –X meas ) Suddivisione di carica lungo una colonna CS=1,…,6 x y 400 m 50 m

7 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab7 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale x y 400+400 m Buona risoluzione spaziale anche quando la carica e suddivisa tra colonne. Sigma= 4.65 0.10 m Mappa 2D della divisione di carica per tracce a 0 gradi.

8 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab8 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale La risoluzione si degrada rapidamente al crescere della soglia Soglia nominale Sensore ST1 CiS equipaggiato con FPIX0 Nessuna degradazione della risoluzione quando il rivelatore e sovrasvuotato. A piccoli angoli di traccia la risoluzione migliora per bias vicino al potenziale di svuotamento. Bias nominale V svuotamento

9 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab9 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale Sensore ST1 CiS equipaggiato con FPIX0 Confronto tra la risoluzione ottenibile con linterpolazione di carica analogica e digitale. Linformazione di carica migliora risoluzione in modo significatico. Con quanta precisione e necessario misurare la carica raccolta per avvantaggiarsi della interpolazione analogica? Quanti bits di accuratezza digitale sono necessari nel ADC di Front-End?

10 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab10 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale FPIX0pstop(8-bit) Q th =3720e - FPIX1pstop(2-bit) Q th =3780e - FPIX0pstop(8bit) Q th =2500e - FPIX0pspray(8bit)Q th =2200e - FPIX1pstop(2bit)Q th =3780e - La risoluzione si degrada meno di 1 um passando da 8 bit (nominali) a 2 bit. Nel caso del sensore p-spray la perdita di carica peggiora la risoluzione spaziale in modo significativo. 8 bit (nominali)= 4 5 bit

11 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab11 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Funzione di risoluzione La coda non-gaussiana ha le seguenti proprieta: Contiene il 15% degli eventi esponente 2.3 Emissione di raggi delta No divisione di carica: Box-shape Divisione di carica: coda non- gaussiana

12 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab12 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Esposizione a raggi gamma Risposta ad un impulso di 3260e nominali prima e dopo 33 Mrad(Si) desposizione alla radiazione gamma Variazione della distribuzione del soglia e del rumore prima e dopo 33 Mrad(Si) desposizione alla radiazione gamma. Esposizione a Co 60 ad Argonne National Laboratory di diverse strutture di test (dispositivi singoli) e preFPIX2T (array di FE 2x32).

13 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab13 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Esposizione a protoni di 200 MeV Tensione duscita del DAC (14 MRad[Si]). IUCF (Indiana University Cyclotron Facility). 4 preFPIX2I (matrice 18x32 completa di readout). 1 preFPIXTb (matrice 18x32 completa di readout e DAC). Leggero aumento della potenza dissipata dopo lirragiamento. Distribuzione di soglia e del rumore (26 MRad[Si]).

14 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab14 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Single event effect PreFPIX2I esposto per 24 ore ad un fascio di protoni a 200 MeV. Dose totale integrata pari a 26 Mrad(Si) (equivalente a circa 8 anni di BTeV): Nessuna evidenza di Latch-up o altri eventi catastrofici. Nessuna evidenza di gate-rapture. PreFPIX2Tb esposto per 8 ore ad un fascio di protoni a 200 MeV. Dose totale integrata pari a 14 Mrad(Si) (equivalente a circa 5 anni di BTeV): Evidenza di Single Event Up Set sia nei registri di mascheramente e iniezione di carica delle celle, sia nei registri dei DAC della periferia. Misura della sezione durto di upset di un bit. Predizione del rate derrore nel rivelatore di vertice in BTeV N error = total bit errors F = I*time = integrated fluence N bits = number of bits exposed s bit = one bit SEU cross section

15 May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab15 Conclusioni 1.BTeV e un esperimento tecnologicamente aggressivo ma fattibile con la tecnologia esistente. 2.Enormi progressi sono stati fatti a FNAL nel realizzare prototipi di piccoli rivelatori a pixel soddisfacenti le richieste di BTeV. 1.Elevata risoluzione spaziale. 2.Resistenza alla radiazione. 3.Elevata velocita di lettura. 3.Ora e necessario affrontare le problematiche relative alla costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo e robusto. 1.Yield delle sue varie componenti. 2.Un leggero supporto meccanico e di raffredamento. 3.Installazione e cablazione allinterno del contenitore ad alto vuoto.