Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

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Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end
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Indice degli argomenti trattati
Indice degli argomenti trattati

• Principi di funzionamento dei rivelatori di
  particelle
• Perdita di energia per ionizzazione
• Radiazione Cerenkov
• Radiazione di transizione
• Bremsstrahlung
• Interazione dei fotoni con la materia
• Effetto fotoelettrico
• Effetto Compton
• Produzione di coppie

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Indice degli argomenti trattati

• Interazioni nucleari
• Interazioni deboli
• Rivelatori di particelle funzionanti con miscele
  gassose
• Camere a ionizzazione
• Camere proporzionali
• Geometria cilindrica
• Carica spaziale
• Sviluppo del segnale in un contatore
  proporzionale
• Nuovi sviluppi
• Micro Strip Gas Chamber (MSGC)
• Gas electron Multiplier (GEM)

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Indice degli argomenti trattati

• Elettronica di front-end
• Sistema rivelatore-preamplificatore
• Sorgenti di rumore e tipi di misure
• Risposta del preamplificatore
• Valore ottimale Cin preamplificatore
• Selezione dello stadio di ingresso
• Sorgenti di rumore spettro in potenza
• Sorgenti di rumore per un transistore bipolare
• Analisi del rumore per le tre configurazioni CF,
  CB, CA
• Selezione del filtro
• Circuito di cancellazione polo-zero
• Rivelatori con alte Cdet

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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle

• Perdita di energia per ionizzazione
• Radiazione Cerenkov
• Radiazione di transizione
• Bremsstrahlung
• Produzione di coppie

Fenomeni associati al passaggio di particelle
relativistiche attraverso la materia
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle

• dE/dx (perdita di energia) per ionizzazione
• tipo di radiazione
• energia delle particelle
• tipo di materiale

Equazione di Bethe-Bloch
Minimo per ?? ? 3.5
Effetto relativistico (contrazione di Lorentz
nella coordinata x) causa aumento densità del
mezzo (10 solidi/50 gas)
I potenziale di ionizzazione (13.5 eV gas / 1
keV piombo)
Perdita di energia per ionizzazione normalizzata
per argon liquido (densità 1.4x103 kg/m3)
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Approssimazione della perdita di energia per
ionizzazione
Es. Quanta energia rilascia un ? da 10 GeVche
attraversa una persona ?
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Radiazione Cerenkov

• Velocità della luce in un mezzo con indice
  rifrazione n è c/n.
• Particella relativistica più veloce della luce
  nel mezzo.
• Emissione radiazione coerente ad un angolo
  determinato dalla sua velocità e dallindice di
  rifrazione del mezzo

Spettro energetico continuo una frazione
significativa è nel visibile
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Radiazione Cerenkov
a)

• Esempio dato lindice di rifrazione per lacqua
  1.33 determinare
• La soglia in energia nel caso di un elettrone
  incidente per generare la radiazione Cerenkov.
• Langolo di emissione della radiazione Cerenkov
  per un elettrone da 500 MeV nellacqua

b)
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Radiazione di transizione

• E la radiazione emessa quando una particella
  carica relativistica attraversa il confine tra
  due mezzi.
• Può essere pensata come generata
  dallaccellerazione apparente della particella
  dovuta al cambiamento nellindice di rifrazione
  al confine tra i due mezzi.
• La radiazione di transizione è coerente ed è
  concentrata in un angolo uguale a 1/? rispetto
  alla direzione della particella incidente.

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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Bremsstrahlung

• Elettroni e positroni, come conseguenza della
  massa ridotta, perdono energia anche per
  bremsstrahlung (braking radiation)
  nellattraversare la materia.
• Processo causato da interazione elettromagnetica
  con nucleo atomico in cui viene generato un
  fotone (e- N ? e- N ? o e N ? e N
  ?)
• Per elettroni dE/dx dovuto a Bremsstrahlung
  domina per E gt pochi MeV
• Parametro fondamentale dei materiali è la
  lunghezza di radiazione (?0) definita come la
  distanza in cui lenergia di un elettrone è
  ridotta di un fattore 1/e per Bremsstrahlung
  (dE/E-dx/ ?0).

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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Interazione dei fotoni con la materia
Effetto fotoelettrico radiazione em incidente
sulla superfice di un metallo può estrarre
elettroni. Il fotone è una particella
caratterizzata da energia e momento, ma con massa
nulla. La massima energia cinetica dellelettrone
estratto è Ek max hf- ? con ? potenziale di
estrazione del metallo
Esempio Qualè lenergia associata ai fotoni
con lunghezza donda 400 nm lt ? lt 700 nm
(visibile)
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Effetto Compton

• Interazione tra un fotone e un elettrone del
  materiale assorbente
• Fotone deviato di un angolo ?. Tutti gli angoli
  sono possibili ? energia trasferita ad elettrone
  può variare da zero ad un frazione consistente
  dellenergia del ?.

Parte dellenergia iniziale è sempre mantenuta
dal fotone incidente
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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Produzione di coppie

• Energicamente possibile se energia ? incidente
  maggiore di 2 volte la massa a riposo
  dellelettrone (0.511 MeV).
• Probabilità di interazione bassa fino ad energie
  di alcuni MeV ? processo valido solo per ? di
  alte energie.
• Nellinterazione il fotone scompare e viene
  generata una coppia elettrone-positrone.
• 2 fotoni vengono generati successivamente
  dallannichilazione del positrone.

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Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Interazioni nucleari

• Adrone energetico (?,K,N,P) che attraversa la
  materia ? interazione nucleare.
• Un materiale può essere caratterizzato dal
  parametro ?0 (lunghezza di interazione).
• ?0 distanza alla quale un neutrone da 100 GeV
  ha una probabilità 1/e di non avere
  uninterazione anelastica con un nucleo.

Interazioni deboli

• Il neutrino nellattraversare la materia non
  subisce nessuna delle interazioni descritte
  precedentemente ? la materia è quasi trasparente
  per questa particella.
• Il neutrino ha bassa probabilità di essere
  rivelato direttamente (anche con un rivelatore di
  grandi dimensioni).
• Es. La sezione durto di un neutrino da 100 GeV
  è ? 9 ordini di grandezza più piccola di quella
  di un neutrone ? sarebbero necessari ? 109 m
  cemento per assorbirlo
• Per rivelare direttamente i neutrini è
  necessario un fascio intenso di queste particelle
  incidente su un rivelatore di grandi dimensioni.

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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
La carica raccolta dipende anche da fenomeni di
ricombinazione (sia iniziale che nel volume del
rivelatore)
Camere a ionizzazione

• Raccolta di tutte le cariche create per
  ionizzazione diretta attraverso lapplicazione di
  un campo elettrico.
• Funzionamento DC o impulsivo.
• Tipicamente necessari ? 30-35 eV per creare
  coppia.
• Fluttuazioni inferiori di quanto previsto da
  distribuzione Poisson (fluttuazioni
  caratterizzate da dev. Stand.
• ) ? Fano factor

Costante empirica che moltiplicata per la
varianza produce il valore osservato
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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
Mobilità
Camere a ionizzazione

• IONI
• Cammino libero medio (NO campo elettrico) ? 10-6
  10-8 m
• Con campo elettrico
• vdrift ? (?/P)
• ? costante per ampi range di ? e P
  tipicamente ? 1-1.5 10-4 m2 atm/(Vs)
• Es. P1 atm, ?104 V/m vdrift ? 1 m/s
• ? ? 1 ms per attraversare 1 cm.
• ELETTRONI
• Massa elettroni inferiore ? vdrift elettr. ? 1000
  vdrift ioni ? tempo raccolta elettroni ? ?s

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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
Funzionamento in DC
Funzionamento in modo impulsivo
Viene misurata la corrente di ionizzazione. Per
misurare piccole correnti di ionizzazione ?
tecnica di integrazione della carica su un
periodo di tempo T.
Si guadagna in sensibilità nella misura
dellenergia rilasciata nel rivelatore dalla
radiazione incidente.
Particella ionizzante ? coppie di ioni derivano
verso elettrodi ? carica indotta sugli elettrodi
? ?V ai capi di R ? ?V max quando tutta la carica
raccolta ? ritorno alle condizioni di equilibrio
(V0) con ? RC
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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione

• RC grande (gt ms)
• tutti gli ioni vengono raccolti
• rivelatore puo funzionare solo ad una rate
  molto bassa

Funzionamento in modo impulsivo

• RC piccola (? ?s)
• Ampiezza impulso dipende solo dalla deriva degli
  elettroni (tempi di salita e discesa più rapidi)
• rivelatore puo funzionare con una rate più alta

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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
? Circuito esterno grande ? energia necessaria
per movimento cariche derivata da energia
immagazzinata inizialmente nella camera (1/2 CV2)
Energia iniziale energia assorbita dagli ioni
energia assorbita dagli elettroni energia
rimanente
VR/d
? 2V0
VR
Energia necessaria per il moto delle cariche Q??
Variazione nel potenziale elettrico E x
distanza attraversata
n0e
? Porzione iniziale del segnale ha una salita
lineare
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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
Ampiezza impulso funzione della posizione (x) in
cui sono stati generati gli elettroni
INDUZIONE un percorso di deriva pari a vt genera
una caduta di potenziale nella camera pari a
n0evt/dC. Stesso effetto si avrebbe riducendo la
carica immagazzinata in una capacità C di una
quantità n0evt/d ? si può immaginare che il moto
ionico induca una carica n0evt/d .
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Sfruttano la moltiplicazione nel gas per
amplificare la carica generata dalla ionizzazione
primaria
Camere proporzionali
Il valore di soglia del campo elettrico per avere
ionizzazzione secondaria alla pressione
atmosferica è dellordine di 106 V/m
Energia delle particelle incidenti
Coefficente di Townsend
n(x)n(0)e?x
Regioni di funzionamento di un rivelatore a gas
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Vantaggi
Geometria cilindrica

• Valori di campo elevati sono raggiunti solo
  vicino al filo (circa un cilindro compreso entro
  5 raggi anodici).
• Regione di moltiplicazione confinata in una
  zona molto piccola del rivelatore ?
  moltiplicazione unifome per tutte le coppie di
  primari.

Es. Dati V2000 V, a 80 ?, b 1cm ? ?
5.18x106 V/m. Per ottenere lo stesso campo con
una geometria a piatti paralleli spaziati di 1 cm
servirebbe una ddp di circa 52 kV !!!
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Problemi connessi agli effetti di moltiplicazione
nel gas
Contributo dovuto alla fluttuazione del fattore
di moltiplicazione per singolo elettrone
Effetti di carica spaziale
Campi elettrici bassi
Campi elettrici elevati (Polya)
Contributo dovuto alla fluttuazione del numero di
primari
0.05-0.2
0 lt ? lt 1 (parametro dipendende dalla frazione di
elettroni con E gt Eion)
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Rispetto alle camere a ionizzazione
Sviluppo del segnale in un contatore proporzionale

• ? tutte le cariche si originano nella regione di
  moltiplicazione
• Tempo di deriva e tempo di moltiplicazione
• Contributo induzione ioni primari trascurabile.
• Tempo di deriva gtgt tempo di moltiplicazione (in
  genere)
• moltiplicazione a pochi raggi dal filo
• segnale di uscita generato da moto ioni
  positivi.
• Inizialmente ioni positivi si muovono in campo
  elevato ? moto rapido ? parte rapida del segnale
• Successivamente zona a raggio più grande ? moto
  lento ? parte lenta del segnale

Come per la camera a ionizzazione a piatti piani
paralleli VRQ/C Valida per RC gt tempo raccolta
ioni
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Lampiezza dellimpulso dipende quindi dalla
forma del segnale di uscita.
In pratica la condizione RC gt tempo raccolta ioni
non si verifica mai per i contatori proporzionali
Ionizzazione a distanza fissa (tempo di drift
costante)
Condizione di ionizzazione estesa
INOLTRE il contributo degli elettroni al
segnale generato è trascurabile(metà del segnale
viene generato a meno di un cammino libero medio
dallanodo)
Es. dati a 25?, b 1cm ed assumendo ? 3? ?
E-/E ? 0,02 ? il contributo del moto degli
elettroni al segnale è del 2
Energia assorbita dal moto ionico
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
N.B. Dato a25 ?m e b1 cm ? metà ampiezza del
segnale è raggiunta dopo lo 0.25 del tempo di
deriva (una frazione di ?s) e gli ioni si sono
mossi di ? 480 ?m dalla superfice del filo
Inoltre quanto detto è valido se la
ionizzazione avviene ad un raggio fisso. Se si
considera una traccia si ha un ulteriore spread
generato dal tempo di drift degli elettroni.
Ballistic deficit parte del segnale perso a
causa della formazione. Leffetto è peggiorato
dalla distribuzione radiale della ionizzazione
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Rivelatori di particelle-sviluppi
1968 Multiwire Proportional Chamber
1908 Primo contatore proporzionale
Georges Charpak at CERN
Hans Geiger Ernest Rutherford
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Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
1998 Micro Strip Gas Chamber
Anton Oed (Grenoble)
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Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Layout del primo prototipo di MSGC
Two track resolution rate capability
Struttura delle linee di campo per una MSGC
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Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)

• MSGC
• PRO
• Alta rate ( gt 106 Hz/mm2)
• Risoluzione spaziale (? 40 ?m con misura centro
  di carica)

• MSGC
• CONTRO
• La rate max è funzione del substrato
• Ageing e scariche

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Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Ageing (contaminazione)
Passivazione dei catodi per prevenire scariche
Rate in funzione del substrato
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Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)
2000 Gas Electron Multiplier

• Deposito di 5 ?m di rame su substrato di kapton
  da 50 ?m.
• Diametro dei fori 80 ?m
• Passo dei fori 140 ?m

Sauli (CERN)
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Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Geometria rivelatore basato su singola GEM
Guadagno
Guadagno in funzione della dimensione dei fori
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Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)
Geometria rivelatore basato su doppia GEM
Guadagno GEM1, GEM2, GEM1GEM2
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Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)

• GEM
• PRO
• Rate molto alta.
• Risoluzione spaziale con centroide di carica ?
  40 ?m (pitch strips 200 ?m).
• Risoluzione spaziale con lettura digitale ? 60
  ?m (pitch strips 200 ?m).
• Dimensioni ? 32x32 cm2.
• CONTRO
• Sistema di alimentazione per le alte tensioni
  complesso.
• Scariche sugli elettrodi di readout (il
  rivelatore non è dannegiato dalle scariche
  problemi con lelettronica di front-end).

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front-end G.Felici 36
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end

• Camera a deriva dellesperimento KLOE
• raggio 1.9 mt
• lunghezza 3.3 mt
• 12582 fili di sense
• 37746 fili di campo (rapporto 31)
• miscela 90 He-10 iC4H10
• ?R? 200 ?m
• ?Z 0.5 cm

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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
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front-end G.Felici 38
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
INTRODUZIONE
Rivelatore di particelle
Preamplificatore
Converte lenergia depositata in una carica
elettrica ? QKE ? Es. Per Si K278 e/keV
Converte la carica Q in una tensione con un
contributo minimo di rumore
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Ottimizzazione della risposta di un rivelatore
Non sempre possibile (ageing)
Misure di energia o di tempo ?

• Progettare il rivelatore in modo da
  massimizzarne la risposta
• Ridurre il noise al livello delle sorgenti di
  rumore
• Ottimizzare il filtro del segnale

energia
tempi
Si possono utilizzare pochi elettroni ? costante
di tempo piccola (lt 100 ns)
E richiesto un tempo di integrazione più grande
(gt 100 ns)
Generatore di corrente con capacità in parallelo
Sorgenti capacitive di carica
Rivelatori a ionizzazione
Rumore espresso in ENC ed è importante solo se
contribuisce in uscita al filtro ? fondamentale
la conoscenza della funzione di trasferimento del
filtro utilizzato
Rumore serie ? legato ai meccanismi di
amplificazione. Rumore parallelo ? causato da
imperfezioni nellamplificatore o nel rivelatore
(correnti di perdita) e ad elementi dissipativi
(Rp) connessi allingresso
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front-end G.Felici 40
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Risposta del Preamplificatore
?-input response
Energia
Formazione unipolare
Detector response
Misura
Tempo
Formazione bipolare
x eliminare problemi pile-up dovuti alla forma
del segnale generato dal rivelatore
Valori RfCf piccoli ? rumore maggiore
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front-end G.Felici 41
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Pre-rivelatore
Rumore rumore ...

• 1 m filo ? 10 pF
• strip silicio ? 1pF/cm

primo Cin pre e Criv dovrebbero essere uguali
altrimenti rumore in uscita peggiore di un
fattore
Capacità ingresso Pre
Cd ? 10pF
Parallel noise
Series noise
Capacità rivelatore
Detector capacitance (pF) Noise value (Pre in capacitance 5pF)
1 1.3
5 1
25 1.3
500 5.1
Per rivelatori ad alta capacità ?possibile
utilizzare trasformatore per adattare la Cin del
Pre (Cin_trasf n2Cin_pre, Rin_trasf
Rin_pre/n2)
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 42
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
secondo quale stadio di ingresso ?
In condizioni ideali (guadagno infinito/ft
infinite)

• Il segnale di uscita ha la stessa forma del
  segnale in corrente generato dal rivelatore

• Richiesto circuito di cancellazione polo-zero
  affinché Vu(t) riproduca il segnale in corrente
  del rivelatore.

• Richiesto circuito di cancellazione polo-zero
  affinché Vu(t) riproduca il segnale in corrente
  del rivelatore.

In condizioni reali

• Zin induttiva a causa del polo a s-1/R1C1

• Zin resistiva e stabile per fltft
  (KT/qIE)(Cc/Cf).

• Zin resistiva e stabile per fltft (KT/qIE).

Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 43
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Sorgenti di rumore spettro di potenza
Generatore di rumore espresso nel dominio della
frequenza dallo spettro in potenza
1 Hz
f0
Sorgente di rumore fornisce una potenza in Watt
pari alla sua grandezza quando è connessa ad una
resistenza di 1 ? attraverso un filtro ideale con
BW 1Hz centrato in f0
Effetto del filtro sulla risposta del sistema
Es. Sorgente di rumore bianco collegata ad un
filtro CR (passa alto)
Rumore bianco
Rumore bianco
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 44
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Analisi del rumore
Configurazione CF CA
Cin capacità totale in ingresso W(t) e W(t)
funzioni peso
N.B. Rf CA gtgt Rf CF ? rumore parallelo inferiore
Configurazione CB
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 45
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Es. transistore con hFE65 e IC1 mA
ENCT
Amplificatore CF
ENCS
time-invariant
Amplificatore CB
time-variant

• ENC (Cin 0) ? 2000 e (? 17 keV per Si)
• ? Pendenza ? 20 e/pF (? 170 eV/pF per Si)

Amplificatore CA
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 46
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
terzo quale filtro ?
Formazione CR-RC
N.B. se ? confrontabile con tempo salita segnale
? ballistic deficit
Rapporto S/N in funzione del filtro utilizzato
(le costanti di tempo sono state selezionate in
modo da minimizzare il rumore)
Stadio CR seguito da n stadi RC (n ? 4). Se
costanti di tempo uguali
Formazione CR-(RC)

• Rispetto alla formazione CR-RC ?
• ritorno più rapido allo zero
• migliore S/N

Peaking time n ?
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 47
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Cancellazione polo-zero
Tempo decadimento preamplicatore (caso CA) lungo,
ma non infinito
Se si usa un filtro CR-RC ? undershoot (errore
nelle misure di ampiezza o di carica)
Circuito cancellazione polo-zero
Funzione trasferimento
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 48
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Misura dei tempi con un contatore proporzionale

• Es.
• Supponendo di avere un sistema composto da
• un contatore proporzionale funzionante con una
  miscela gassosa caratterizzata da un tempo di
  deriva di 200 ns/cm e da Cdet 30 pF
• un preamplificatore con tr10 ns con un ENC _at_ 30
  pF ? 1900 e rms
• Determinare il guadagno nel gas necessario per
  ottenere una ?x ? 100 ?m

La carica minima richiesta in ingresso al
preamplificatore può essere determinata dalla
Dal tempo di deriva ? ?t ? 2ns ? Qeff ? 2x104
e. Se il t0 del gas utilizzato è tale che in 10
ns viene raccolta solo 1/5 della valanga e
possiamo raccogliere 2 elettroni ? Si richiede
unamplificazione nel gas gt 2x104x5/2 5x104
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 49
50
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Primo preamplificatore di carica monolitico
1966

• Tecnologia bipolare con transistori (superbeta)
  bipolari
• Corrente di polarizzazione ? 50 ?A
• Noise ? 3000 e rms
• tempo di salita ? 1 ?s

Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 50
51
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
1966

• Caratteristice VTX
• N. Canali 6
• Tensione di alimentazione 4 V
• Ingressi unipolari (segnale e massa)
• Tensione in ingresso 0.7 V
• Zin 130 ohms
• Uscite 6 unipolari (richiesti resistori
  polarizzazione esterni)

• Tensione di uscita 1.0V
• Zout 43 ohm
• Tensione in ingresso 0.7 V
• Zin 130 ohms
• Guadagno 1mV/fC (43 ohm load)
• Tempo di salita 5 nS

• Tempo di discesa 16 nS
• Range 400/20 fC
• Pd 10 mW/canale
• Rumore in ingresso 860 e 47 e/pF (100 MHz
  BW)
• Crosstalk lt 0.5

Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 51
52
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
2000
Candidati elettronica FE wire pad chamber (LHC-b)
Rivelatori di particelle ed elettronica di
front-end G.Felici 52
53
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Preamplificatori monolitici includono ...

• Stadi di ingresso differenziali
• formatori
• baseline restorer
• discriminatori
• driver di uscita e ...
• gadget vari

Ma se Cdet gt 100 pF ?!?!

• Q1 ? guadagno in corrente ? ?
• ? guadagno in tensione ? gm1re2 (? 1)
• Q2 ? guadagno in tensione RC/re2
• Il guadagno in tensione del circuito è ? gm RC
  (? a quello del singolo CE, ma la BW di Q1 è
  massimizzata).
• La configurazione cascode permette di raggiungere
  un tempo di salita di ? 1.5 ns ed un guadagno di
  ? 2.5 mV/fC.
• Una carica in ingresso Qin dovrebbe essere
  integrata nel condensatore Cf e generare una
  tensione in uscita pari a Qin/ Cf.

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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
In realtà ...

• Vout ? Qin/ Cfx con Cfx Cf C? 2Ccb Cdet/A
  ? Cf Cdet/A
• C? e Ccb si riferiscono a Q1 e A ? 100 (gm 15mA/V
  ? Ie10.4 mA),
• La tensione di uscita si dimezza per Cdet ? 40 pF
  
• Inoltre Rin troppo alta

Ie1 mA ? Rin 1/gm? 25 ?
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
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Selezione del dispositivo di ingresso

• Tecnologia Bipolare
• I dispositivi bipolari offrono
• Un GPBgm/C0
• Una bassa Cin
• Il miglior rapporto gm/I per bassi consumi
• Ma
• La corrente di base contribuisce al rumore
  parallelo ? il guadagno in corrente (?) deve
  essere alto.
• La resistenza RBB peggiora il rumore serie
• OK per un tempo di formazione intorno ai 50-100
  ns

• Tecnologia CMOS
• Il dispositivo di ingresso non introduce rumore
  parallelo
• Le condizioni di lavoro possono essere scelte in
  modo da massimizzare gm/Id
• Ma
• Il rumore 1/f limita le prestazioni a basse
  frequenze.
• I dispositivi a canale p hanno rumore 1/f
  inferiore rispetto ai dispositivi a canale n
• Fissata una potenza i dispositivi a canale n
  hanno migliori prestazioni in termini di velocità
  e rumore
• Ok per un tempo di formazione nel range 20 ns
  2 ?s

• Tecnologia J-FET
• Molto buona per applicazioni in cui il rumore di
  bassa frequenza è critico
• Ma
• Non può essere facilmente implementata in un
  circuito monolitico.

• Tecnologia BICMOS
• OK per progetti a basso rumore, bassa potenza
  dissipata ed alta velocità.

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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Design approach and circuit configuration
selection

• Current mode (transimpedance) preamplifier
• No pile-up.
• Very fast.
• but
• Additional parallel noise from feedback resistor
  and current sources.

• Design procedure
• Select the input device.
• Determine the 1/f corner noise frequecy.
• Determine the corner noise time constant.
• Size the input device for detector matching.
• Bias the input device for noise and speed specs
• Select a circuit configuration
• Identify parasitic noise contributions.
• Estimate seconde stage noise sources
• Clarify the weighting of specs speed-noise-power
  trade off optimisation

• Charge (pre)amplifier
• Best choice for low noise application. Minimum
  parallel noise.
• but
• Needs an additional differentiator stage
• Pile-up.
• Gain is determined by on-chip capacitor.

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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
LENC del preamplificatore è bassissimo ma ...
Attenzione ai loop di massa ....!!!!!!!
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
quarto problema che cavi utilizzo ?
Il tipo di cavo da utilizzare dipende dal tipo di
segnale da trasmettere (analogico/digitale) e
(purtroppo) dal costo per canale
Nessuno schermo per campi magnetici
(configurazione di riferimento)
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