Studio della dipendenza dalla temperatura delle prestazioni del tracciatore a silicio di GLAST 19 Maggio 2005 Relatori: Prof. P. Spinelli Dott. F. Loparco.

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1 Studio della dipendenza dalla temperatura delle prestazioni del tracciatore a silicio di GLAST 19 Maggio 2005 Relatori: Prof. P. Spinelli Dott. F. Loparco Laureanda: Claudia Monte

2 Sommario: Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici Esperimento GLAST: la strumentazione Il rivelatore a silicio di GLAST Analisi delle sorgenti di rumore elettronico I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT Presentazione dei risultati sperimentali

3 Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici 1. 1. Definizione di una mappa del cielo gamma più completa rispetto a quella di EGRET, con lo scopo di identificare sorgenti localizzate e di studiare lemissione diffusa. 2. 2. Comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento di particolari corpi celesti, come AGN, Blazar, Pulsar, SNR e stelle binarie. 3. 3. Studio del comportamento dei Gamma-Ray Burst per stabilirne lorigine. 4. 4. Analisi spettrale dei fotoni rivelati al fine di identificare eventuali fotoni prodotti da annichilazione di materia oscura. 5. 5. Osservazione e studio dei solar flares.

4 Esperimento GLAST: la strumentazione GBM (Glast Burst Monitor) Studio dei GRB nel range energetico: 1keV-30 MeV LAT (Large Area Telescope) Range energetico: 20 MeV÷300 GeV GLAST Gamma-ray Large Area Space Telescope (Messa in orbita: Ottobre 2007) (Presa datI: minimo 5 anni)

5 Principio di funzionamento del LAT Produzione di coppie: e + e - Tracciatore (TKR): 36 piani di rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD) alternati a fogli convertitori di tungsteno per convertire i in coppie e + e -. Calorimetro (CAL): 96 barre di cristalli di CsI drogato con Tl per la misura dellenergia associata alle coppie e + e - prodotte. Rivelatore di anticoincidenza (ACD) : schermo di 145 barre di scintillatori plastici segmentati per il rigetto dei raggi cosmici carichi.

6 Calorimetro Sistema di anticoincidenza (ACD) Grid DAQ Elettronica Tracciatore Struttura del LAT Struttura modulare: Matrice 4x4 di torri identiche

7 Struttura del TKR » Ciascuna torre del TKR è costituita da 19 moduli (tray) Top: unico tray privo dello strato superiore di SSD Standard: 11 tray, di spessore pari a 0.03 X 0 con strato convertitore spesso 105 m Super-Glast: 4 tray, di spessore pari a 0.18 X 0 con strato convertitore spesso 630 m Standard senza convertitore: 2 tray Bottom: unico tray privo dello strato inferiore di SSD Il tray ha uno spessore di 3 cm: è costituito da un pannello a nido dape in alluminio inserito tra due fogli sottili in fibra di carbonio 4 cornici in carbon-carbon lungo i lati

8 I rivelatori a silicio di GLAST Dimensioni8.95 x 8.95 cm 2 Spessore 400 m Numero strip384 Passo strip 228 m Tensione di svuotamento< 120 V Tensione di breakdown> 175 V Percentuale strip non funzionanti:< 0.2 % LadderWafer di silicioPiano di SSD 4 file di ladder matrice 4x4 wafer 1536 strip per piano Corrente di leakage per strip< 1.5 nA Capacità di svuotamento~7.5 pF

9 Lelettronica di front-end ZdZd I ZfZf CcCc Z fs gmgm g ms V out DetectorPreamplificatoreShaper R d (Resistenza di ingresso) 200 G C d (Capacità di ingresso) 47 pF C c (capacità di disaccoppiamento) 1.5 pF R f (Resistenza di feedback) 10 G C f (Capacità di feedback) 9.2 pF g m (Transconduttanza Transistor) 710 -4 S R fs (Resistenza di feedback shaper) 100 M C fs (Capacità di feedback shaper) 9 pF g ms (Transconduttanza transistor shaper) 710 -4 S DISCRIMINATORE

10 Studio della dipendenza del noise dalla temperatura In fase di volo tra i diversi piani delle torri esisterà un gradiente di temperatura Una eventuale dipendenza del noise dalla temperatura comporterebbe diversi valori di noise nei differenti piani della torre Ciò ha importanti conseguenze nella scelta del valore di soglia dei discriminatori associati a ciascun canale di lettura degli SSD Motivazioni

11 Analisi delle sorgenti di noise Sorgenti di noise Corrente di buio (o corrente di leakage) SHOT NOISE Noise associato alla resistenza di bias NOISE TERMICO Noise associato alla resistenza di feedback NOISE TERMICO Noise dellamplificatore Associato NOISE TERMICO + NOISE1/f

12 Tensione di rumore Circuito equivalente di noise i nd ZdZd i nb V na i nf ZfZf - + V preampl.

13 I risultati della simulazione

14 I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT TEM Cold Plate TOWER Grid Ring Tower Stand IGS Cicli termici

15 Test effettuati TrckerGTRCConfiguration TkrGTFECheck TkrReadingConfigurationTest TkrNoiseAndGain TkrNoiseOccupancy TkrTotTest Test di verifica delle operazioni di trasmissione dati dai 64 chip dellelettronica di lettura delle 1536 strip di ogni piano di SSD alla TEM Test di verifica sul corretto funzionamento della configurazione di lettura di ciascun layer Test effettuato allo scopo di trovare eventuali canali disconnessi misurando il guadagno ed il noise di ciascun canale Test con lo scopo di cercare eventuali canali rumorosi Test di Calibrazione del TOT (Time Over Threshold)

16 Misure di guadagno e di noise V1V1 V2V2 Presentazione dei risultati sperimentali

17 Distribuzione di guadagno e noise sulle strip Per il guadagno si osserva un andamento discontinuo con fluttuazioni tra i diversi chip di lettura (GTFE) Per il noise, le fluttuazioni sono di entità minore

18 Distribuzione di guadagno e di noise sullintera torre Guadagno medio: 100 mV/fC Fluttuazioni attorno alla media: ± 10% Noise medio: 1500 ENC Fluttuazioni attorno alla media: ± 13%

19 Studio dellandamento della temperatura, del guadagno e del noise in funzione del tempo per i 35 run analizzati Si osserva una correlazione

20 Studio del guadagno in funzione della temperatura In un intervallo di temperatura di ~60 K il guadagno varia di circa 5mV/fC, che corrisponde ad una variazione dello 0.1% per grado. E lecito trascurare la variazione del guadagno in funzione della temperatura ed assumere un guadagno medio dellordine del centinaio di mV/fC costante con la temperatura.

21 Esiste una dipendenza del noise dalla temperatura Studio del noise in funzione della temperatura Dati sperimentali

22 Barre di errore sulla temperatura fino a 10 gradi nelle fasi transienti

23 Andamento del noise medio in funzione della temperatura per i piani superiori ed inferiori della torre

24 Conclusioni Il guadagno dipende debolmente dalla temperatura con una variazione dello 0.1 % per grado Kelvin Il noise mostra una dipendenza dalla temperatura in accordo con il modello teorico utilizzato per descrivere lelettronica di lettura degli SSD del LAT Si può assumere un guadagno costante al variare della temperatura approssimabile con un valore di ~ 100 mV/fC Le fluttuazioni del noise sono dellordine del 10% su un intervallo di temperatura di 60 K