STAGE invernale

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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.
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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

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I raggi X
I raggi x sono onde elettromagnatiche apparteneti
ad una banda dellintero spettro elettromagnetico
? c/?
100eVltElt1000Kev
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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
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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
Nellindustria metallurgica
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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
allinterno del rivelatore coppie
elettroni-lacune (es. nel Silicio)
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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)
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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
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Dear
Dafne Exotic Atoms Research
Lesperimento DEAR studia gli atomi esotici
prodotti in DAFNE dai kaoni negativi risultati
dal decadimento delle f prodotte nelle
collissione elettrone e positrone
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Dear
Latomo esotico ha al posto dellelettrone 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 lemissione di un raggio X con energia
pari a 6.2 KeV.
Idrogeno Kaonico
Idrogeno
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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
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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).
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Siddharta
Silicon Drift Detector for Hadronic Atom Research
by Timing Application
Per usare il trigger vengono ultilizzati
nellesperimento 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
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Siddharta
Gli elettroni che si creano al passaggio dei
raggi X vengono raccolti verso lanodo, la
capacità delle SDD è indipendente dallarea
attiva abbiamo migliori prestazioni. Capacità
Ceo erS/d
anodo
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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 AXB (B 0) V RI X? V ,
Y ? I I (1/R)
V R 1/A
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Esperienze di laboratorio
studio di un amplificatore
Abbiamo progettato, simulato con Pspice e testato
un lamplificatore operazionale modello OP27 in
configurazione non invertente con guadagno in
tensione A2
R1 1.2 K? R2 1.2 K? A 1 (1.2/1.2) ? A
2 ? Vu 2 Vi
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Esperienze di laboratorio
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Esperienze di laboratorio
studio di un amplificatore
Abbiamo verificato in entrambi i casi che il
quadagno calcolato A2 era esatto sia nelle
simulazioni che nelle misure sul circuto
costruito dove la Vout è il doppio dell Vin
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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 sonominore sensibilità al
rumore,facilità di trasmissione, alta capacità di
elaborazione
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Esperienze di laboratorio
studio di un ADC campionamento e quantizzazione
Per completare lo studio dei principali
dispositivi contenuti nellesperimento abbiamo
studiato montato e testato un converitiore
analogico digitale A/D
Funzione discreta
Funzione continua
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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
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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. Lobbiettivo 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
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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

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Esperienze di laboratorio
studio di un ADC il codice binario
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analisi dati
Con lanalisi dati si studiano le informazioni
acquisite tramite il rivelatore. Questo studio
consiste nellosservazione dello spettro
energetico
Dati dal rivelatore
spettro
Rappresenta graficamente la distribuzione del
numero di particelle che formano la radiazione in
funzione della loro energia
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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.
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analisi dati
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
maximumFWHM)
risoluzione del rivelatore
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