Rivelatore di particelle - CAD Elettronico INFN Sez. Bari

Rivelatori di particelle ed
elettronica di front-end
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
o Effetto fotoelettrico
o Effetto Compton
o Produzione di coppie
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
2
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)
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
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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
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
4
Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle
Principi di funzionamento dei rivelatori di
particelle
Fenomeni associati
al passaggio di
particelle
relativistiche
attraverso la
materia
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
 Perdita di energia per
ionizzazione
 Radiazione Cerenkov
 Radiazione di transizione
 Bremsstrahlung
 Produzione di coppie
G.Felici
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Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle
dE/dx (perdita di energia) per
ionizzazione
 tipo di radiazione
Equazione di
Bethe-Bloch
 energia delle particelle
 tipo di materiale
dE
Z

 30.7keV  m 2 / kg 
dx
A 2


I  16eV Z 0.9
v

c

  2mc 2 2  2 

2
   
ln 
I

 

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)
1
v2
1 2
c
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
Perdita di energia per
ionizzazione normalizzata
per argon liquido (densità =
1.4x103 kg/m3)
G.Felici
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Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle
Approssimazione della
perdita di energia per
ionizzazione


 dE 
    0.2MeV  m2 / kg 
 dx  min
Es. Quanta energia rilascia un  da 10 GeVche attraversa una
persona ?
E
 100)
2
mc
assumendo densità corpo umano  densità acqua (   103 kg/m3 )
  particella relativistica (mc 2  106 MeV   
dE
)  (0.2 MeV  m 2 / kg )    200 MeV / m
dx
per una persona alta 1.70 m l'energia depositata è
(
E  
dE
x  340 MeV
dX
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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7
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 dall’indice di rifrazione
del mezzo
condizione per emissione radiazione
c
n
v
1
assumendo   
1
c
n
Cerenkov  v 
Spettro energetico continuo; una
frazione significativa è nel visibile
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
angolo emissione  cos  
G.Felici
1
n
8
Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle
Radiazione
Cerenkov
a)
la velocita' limite per la radiazione Cerenkov è
c
v 1
o  
n
c n
la soglia in energia è quindi data da
v
E  mc 
2
Esempio : dato l’indice di rifrazione
per l’acqua = 1.33 determinare :
a)
b)
La soglia in energia nel caso di un
elettrone incidente per generare
la radiazione Cerenkov.
L’angolo di emissione della
radiazione Cerenkov per un
elettrone da 500 MeV nell’acqua
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
mc 2
1  2
mc 2 n

numericame nte E 
n2 1
(0.511MeV )(1.33)
(1.33) 2  1
 0.775MeV
b)
cos 
1
v
1
con    1  2 . Per E  500 MeV
n
c

E
 100
mc2
1
   1 e, di conseguenz a, cos 
n
1
numericame nte    ar cos(
)  72
1.33
ed mc2  0.511MeV si ha  
G.Felici
9
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
dall’accellerazione apparente della particella
dovuta al cambiamento nell’indice 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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10
Principi di funzionamento dei rivelatori di particelle
Bremsstrahlung
Elettroni e positroni, come conseguenza della massa ridotta, perdono
energia anche per bremsstrahlung (braking radiation) nell’attraversare 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 > pochi MeV
Parametro fondamentale dei materiali è la lunghezza di radiazione (0)
definita come la distanza in cui l’energia 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
dell’elettrone estratto è
Ek max = hf-  con  = potenziale di
estrazione del metallo
Esempio : Qual’è l’energia
associata ai fotoni con lunghezza
d’onda 400 nm <  < 700 nm
(visibile)
Efotone  hf 

1240eV  nm
 3.1eV

400nm
hc 1240eV  nm
Efotone 

 1.8eV

700nm
Efotone 
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
hc
hc
G.Felici

12
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
dell’energia del .
1  2 
hc
 1  cos 
2
mc
Parte dell’energia 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
dell’elettrone (0.511 MeV).
 Probabilità di interazione
bassa fino ad energie di
alcuni MeV  processo
valido solo per  di alte
energie.
 Nell’interazione il fotone
scompare e viene generata
una coppia elettronepositrone.
 2 fotoni vengono generati
successivamente
dall’annichilazione 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 un’interazione anelastica con un nucleo.
Interazioni deboli
 Il neutrino nell’attraversare 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 d’urto 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
Camere a ionizzazione
La carica raccolta dipende anche da fenomeni di
ricombinazione (sia iniziale che nel volume del
rivelatore)
 Raccolta di tutte le cariche
create per ionizzazione diretta
attraverso l’applicazione 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.
N coppie
)  Fano factor
Costante empirica che moltiplicata per la
varianza produce il valore osservato
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Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
Mobilità
IONI
 Cammino libero medio (NO campo
elettrico)  10-6 – 10-8 m
Camere a ionizzazione
 Con campo elettrico
vdrift =  (/P)
 costante per ampi range di  e P;
tipicamente  = 1-1.5 10-4 m2 atm/(Vs)
Es. P=1 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.
Si guadagna in sensibilità nella
misura dell’energia rilasciata nel
rivelatore dalla radiazione
incidente.
Per misurare piccole correnti di
ionizzazione  tecnica di
integrazione della carica su un
periodo di tempo T.
V 
Q
C
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
Funzionamento in modo impulsivo
RC grande (> ms)
 tutti gli ioni vengono raccolti
 rivelatore puo’ funzionare solo ad
una rate molto bassa
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
1
1
CV02  n0ev  t  n0ev t  CVch2
2
2
1
V 
C V0  Vch   V0  Vch   n0e ch   v   v   t
2
 d 
Energia necessaria per il moto delle
cariche = Q
n0e
Variazione nel potenziale
elettrico = E x distanza
attraversata
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
 2V0
VR/d
VR
n0 e 
per VR  V0  VR 
(v  v  )  t
dC
 Porzione iniziale del segnale ha una salita
lineare
G.Felici
20
Rivelatori di particelle-camere a ionizzazione
INDUZIONE
un percorso di deriva pari a v+t genera
una caduta di potenziale nella camera
pari a n0ev+t/dC. Stesso effetto si
avrebbe riducendo la carica
immagazzinata in una capacità C di una
quantità n0ev+t/d  si può immaginare
che il moto ionico induca una carica
n0ev+t/d .
Ampiezza impulso funzione della
posizione (x) in cui sono stati
generati gli elettroni
Velec 
n0e x

C d
Elettroni raggiungono anodo dopo
tempo t-=x/v-; ioni raggiungono
catodo dopo un tempo t+=(d-x)/v+
n0e
n0e
d  x   x    Vmax
VR 
dC
C
Es : calcolo dell'ampiezza dell'impulso generata da una particella ionizzante da 1 MeV che perde tutta la sua
energia all'interno di una camera a ionizzazione
Vmax

n0e
106 eV
2.86  104  1.6  1019 C 
4

; n0 
 2.86  10  assumendo C  100 pF  Vmax 
 46 V
35eV
C
100 pF
coppia
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Camere proporzionali
Il valore di soglia del campo
elettrico per avere
ionizzazzione secondaria alla
pressione atmosferica è
dell’ordine di 106 V/m
Coefficente
n(x)=n(0)ex
di Townsend
Sfruttano la moltiplicazione nel
gas per amplificare la carica
generata dalla ionizzazione
primaria
Energia delle
particelle
incidenti
Regioni di funzionamento di un
rivelatore a gas
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Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Vantaggi
Geometria cilindrica
V
r ln( b )
a
V  tensione anodo - catodo
( r ) 
a  raggio dell' anodo
b  raggio del catodo
 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 V=2000 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 !!!
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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23
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
n 
Q 
1  

   0    A 
 Q   n0  n0  A 
2
2
Contributo dovuto alla
fluttuazione del numero
di primari
F
n0
0.05-0.2
P( A) 
2
e
A  100
Campi elettrici bassi Campi elettrici
elevati (Polya)
 
  A  1
A
 A
 A/ A
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
2

 A(1   ) 
  A(1   ) 
P( A)  
 exp 

A 
A



1
 A 
0 <  < 1 (parametro

b


A
 A
dipendende dalla frazione
b  (1   2 ) 1  0.5 di elettroni con E > Eion)
2
G.Felici
24
Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
Sviluppo del segnale
in un contatore
proporzionale
Rispetto alle camere a
ionizzazione :
  tutte le cariche si originano nella
regione di moltiplicazione
 Tempo di deriva e tempo di
moltiplicazione
 Contributo induzione ioni
primari trascurabile.
 Tempo di deriva >> tempo di
moltiplicazione (in genere)
 moltiplicazione a pochi raggi dal filo
 segnale di uscita generato da
Come per la camera a
ionizzazione a piatti piani
paralleli
VR=Q/C
Valida per RC > tempo
raccolta ioni
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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
G.Felici
25
Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
In pratica la condizione
RC > tempo raccolta ioni
non si verifica mai per i
contatori proporzionali
L’ampiezza dell’impulso
dipende quindi dalla forma
del segnale di uscita.
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
dall’anodo)
Energia
assorbita
dal moto
ionico
QV 0  b 

E 
ln 
b
a


ln

a 
QV 0  a   

E 
ln 

 a 
ln b
a

 
 
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
a
ln


E
 a 

E
 b 

ln 
a
G.Felici
Es. dati a = 25, b = 1cm
ed assumendo
 = 3 
E-/E+  0,02  il
contributo del moto degli
elettroni al segnale è del
2%
26
Rivelatori di particelle-contatori proporzionali
  V


2
0
r t   2
t  a  per r(t)  b
 p ln b

a


b 2  a 2 p ln b
a  tempo necessario per raccoglier e tutti gli ioni positivi.
t 
2 V0

 
  
N.B. Dato a=25 m e b=1 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
Dall'energ ia assorbita ( dE ) dagli ioni positivi (Q) nel loro moto attraverso attraverso
una ddp ( d ) 
dE  Qd 
e dall'espre ssione del campo elettrico  (r )  
d ( r )
per una geometria cilindrica 
dr
V0
dE
 Q (r )  Q
dr
r ln b
 a   l'energia assorbita dagli ioni positivi in funzione del tempo
V0
diventa : E  (t )  Q
r ln b
a
r (t )

a
V0
dr
Q
r
r ln b
 a
ln
r (t )
a
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.
assumendo VR(t )  E  (t ) CV0  profilo temporale del segnale




2 V0
Q 1

VRt  
ln
t  1


b
C ln
b
2
a  a p ln  

a


 
1
2
Ballistic deficit : parte del
segnale perso a causa della
formazione. L’effetto è
peggiorato dalla
distribuzione radiale della
ionizzazione
a 
 t mezza ampiezza 
t
ab

  t


 r t mezza ampiezza  ab
mezza ampiezza
1
ab
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
27
Rivelatori di particelle-sviluppi
1908 : Primo contatore
proporzionale
1968 : Multiwire
Proportional Chamber
Georges Charpak at CERN
Hans Geiger – Ernest Rutherford
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
28
Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
1998 : Micro Strip Gas
Chamber
Anton Oed (Grenoble)
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
29
Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Layout del primo
prototipo di MSGC
Two track resolution & rate capability
Struttura delle
linee di campo per
una MSGC
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
30
Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
MSGC
PRO
 Alta rate ( > 106
Hz/mm2)
 Risoluzione spaziale (
40 m con misura
centro di carica)
MSGC
CONTRO
 La rate max è
funzione del substrato
 Ageing e scariche
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
31
Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Ageing (contaminazione)
Passivazione
dei catodi
per
prevenire
scariche
Rate in funzione del substrato
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
32
Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)
2000 : Gas Electron
Multiplier
Sauli (CERN)
• Deposito di 5 m di rame
su substrato di kapton da
50 m.
• Diametro dei fori : 80 m
• Passo dei fori : 140 m
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
33
Rivelatori di particelle-sviluppi (MSGC)
Geometria
rivelatore basato
su singola GEM
Guadagno
Guadagno in funzione della dimensione
dei fori
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
34
Rivelatori di particelle-sviluppi (GEM)
Geometria
rivelatore basato
su doppia GEM
Guadagno
GEM1, GEM2,
GEM1+GEM2
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
35
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 l’elettronica di frontend).
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Camera a deriva dell’esperimento KLOE
 raggio = 1.9 mt
 lunghezza = 3.3 mt
 12582 fili di sense
 37746 fili di campo (rapporto 3:1)
 miscela = 90% He-10% iC4H10

R= 200 m

Z= 0.5 cm
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
37
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
KL
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
KS
G.Felici
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
INTRODUZIONE
Rivelatore di particelle
Preamplificatore
Converte l’energia depositata
in una carica elettrica
Converte la carica Q in una
tensione con un contributo
minimo di rumore
 Q=KE 
Es. Per Si K=278 e/keV
Preamplificatore
E
Rivelatore
Amplificatore-Formatore
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
G.Felici
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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
energia
tempi
 Ridurre il noise al livello delle
sorgenti di rumore
 Ottimizzare il filtro del
segnale
Si possono utilizzare pochi
elettroni  costante di
tempo piccola (< 100 ns)
Rivelatori a ionizzazione
Sorgenti capacitive
di carica
Rumore serie  legato ai meccanismi di amplificazione.
Rumore parallelo  causato da imperfezioni
nell’amplificatore o nel rivelatore (correnti di perdita) e
ad elementi dissipativi (Rp) connessi all’ingresso
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
E’ richiesto un tempo di
integrazione più grande (>
100 ns)
Generatore di
corrente con
capacità in parallelo
Rumore espresso in ENC ed è
importante solo se contribuisce
in uscita al filtro 
fondamentale la conoscenza
della funzione di trasferimento
del filtro utilizzato
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Risposta del Preamplificatore
Misura
Energia
-input
Formazione unipolare
response
Detector response
Tempo
Formazione bipolare
Amp
Polo-zero
Polo-zero
(x preamp) Amp
(x rivelatore)
Valori RfCf piccoli
 rumore maggiore
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
x eliminare problemi pileup dovuti alla forma del
segnale generato dal
rivelatore
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Pre-rivelatore
Rumore rumore ...
primo : Cin pre e Criv
dovrebbero essere uguali
altrimenti rumore in uscita
peggiore di un fattore
• 1 m filo  10 pF
• strip silicio  1pF/cm
Capacità ingresso Pre
Cd
C p 
1  Cd

2  C p
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
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
secondo: quale stadio di ingresso ?
In condizioni ideali (guadagno infinito/ft infinite)
Vu ( s)
 R
QI ( s)
 Il segnale di uscita ha la
stessa forma del segnale in
corrente generato dal
rivelatore
In condizioni reali
 Zin induttiva a causa del
polo a s=-1/R1C1
Rf
Vu ( s )

QI ( s ) 1  sR f C f 
Vu ( s )
RL

QI ( s ) 1  sRL C L 
 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.
 Zin resistiva e stabile per
f<ft [(KT/qIE)(Cc/Cf)].
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
 Zin resistiva e stabile
per f<ft [(KT/qIE)].
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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
v  f0 
2
n
R  1
1 Hz
V 2 
 
 Hz 
Pd  v n  f 0  Watt 
2
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)
2
v ni
V 2 
 
 Hz 
2
v nu
Rumore bianco
f
v
2
ni
H (s) 
V 2 
 
 Hz 
Rumore bianco
H(s)
2
nu
2
ni
v  v H ( j )
sRC
jRC
 H ( j ) 
1  sRC
1  jRC
2
2
 2 R 2C 2
 2 R 2C 2
H ( j ) 

v


v
nu
ni
1   2 R 2C 2
1   2 R 2C 2
2
f
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
2
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Analisi del rumore
Configurazione CF & CA
Il rumore in un transistor e bipolare è
schematizz abile con due sorgenti indipenden ti
il cui spettro in potenza è dato dalle

d es2
1 

 4 KT  rBB ' 
df
2
g
m 

V 2 Hz
d iB2
 2qI B
I 2 Hz
df
Sommando i due contributi

1 
1 
ENC  2qI B1  4 KT
  W 2 (t )dt
2 
R f  0
2
P


1 2
1 
   W ' (t )2 dt
ENC  Cin 4 KT  rBB' 
2
2 g m  0

2
S
Cin= capacità totale in
ingresso
W(t) e W’(t) = funzioni peso
N.B. Rf CA >> Rf CF 
rumore parallelo
inferiore
2
ENCTOT
 ENCP2  ENCS2
Configurazione CB

1
1
1 
   W 2 (t )dt
ENC  2q I B1  I B 2   4 KT  
2
 R1 RL  0
2
P


1 2
1 
   W ' (t )2 dt
ENC  Cin 4 KT  rBB ' 
2
2 g m  0

2
S
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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45
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Es. transistore con hFE=65 e
IC=1 mA
ENCT
ENCS
time-invariant
Amplificatore CF
Amplificatore CB
time-variant
 ENC (Cin = 0)  2000 e
( 17 keV per Si)
 Pendenza  20 e/pF (
Amplificatore CA
170 eV/pF per Si)
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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46
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
terzo: quale filtro ?
Vout 
Formazione CR-RC
V 1
e t /  1  e t /  2
1  2

per  1   2    Vout 
V

e t / 
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 
n
Vout
 ritorno più rapido allo
zero
 migliore S/N
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end

V 
   e t / 
 
Peaking time = n
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
47
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)
Funzione trasferimento
 1 1  sR pzC1 
1  s 2 R pzC1s 1  R pzC1   1 
per R pz 
1
 2 s  k 
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
Circuito cancellazione
polo-zero
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2
C1
con
k
1   2
 1 2
48
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 tr=10 ns con un ENC @ 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
Qeff
ENC

tr
t
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 un’amplificazione nel gas > 2x104x5/2 = 5x104
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
1966
Primo preamplificatore di
carica monolitico
 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
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50
Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
1966
Caratteristice VTX
 N. Canali : 6
Tensione di uscita : 1.0V
 Tensione di alimentazione 4 V
 Zout : 43 ohm
 Ingressi : unipolari (segnale e
massa)
 Tensione in ingresso : 0.7 V
 Tensione in ingresso : 0.7 V
 Guadagno : 1mV/fC (43 ohm
load)
 Zin : 130 ohms
 Uscite : 6 unipolari (richiesti
resistori polarizzazione esterni)
 Tempo di discesa : 16 nS
 Range –400/+20 fC
 Pd : 10 mW/canale
 Zin : 130 ohms
 Tempo di salita : 5 nS
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
 Rumore in ingresso : 860 e + 47
e/pF (100 MHz BW)
 Crosstalk : < 0.5%
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
2000
Candidati elettronica
FE wire pad chamber
(LHC-b)
Modello
PNPI
SONY
ASDQ
Tecnologia
Componenti
discreti
SONY
bipolare
MAXIM
Bipolare
Resistenza di ingresso
25 
80 
260 
Peaking time (Cdet=0pF)
4 ns
11 ns
8 ns
Peaking time (Cdet=100pF)
7 ns
20 ns
ENC (Cin=10 pF)
1800 e
1500 e
2300 e
Sensitivity (Cdet=0pF)
10mV/fC
5.6mV/fC
3mV/fC
Sensitivity (Cdet=100pF)
6mV/fC
3.5mV/fC
Radiation Limit
50 kRad
5 MRad
Av. Pulsewidth (Cin=100
pF)
60 nS
90 ns
25 ns
Baseline restoration
no
yes
yes
Max rate tested
1 MHz
15 MHz
Channels/Chip
4
8
Power consumption/channel
59 mW
40 mW
Cost per channel
1.7 SFr
4 SFr
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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 > 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.
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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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  Ie1=0.4 mA),
La tensione di uscita si dimezza per Cdet  40 pF
Inoltre Rin troppo alta
Ie=1 mA  Rin =1/gm 25 
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Rivelatori di particelle ed elettronica di front-end
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Selezione del dispositivo di ingresso
Tecnologia Bipolare
Tecnologia CMOS
Tecnologia J-FET
 I dispositivi bipolari offrono:
 Il dispositivo di ingresso non
introduce rumore parallelo
 Molto buona per applicazioni in
cui il rumore di bassa frequenza è
critico
 Un GPB=gm/C0
 Una bassa Cin
 Il miglior rapporto gm/I
per bassi consumi
 Le condizioni di lavoro possono
essere scelte in modo da
massimizzare gm/Id
Ma
Ma
 Il rumore 1/f limita le
 La corrente di base contribuisce prestazioni a basse frequenze.
al rumore parallelo  il guadagno
 I dispositivi a canale p
in corrente () deve essere alto.
hanno rumore 1/f inferiore
rispetto ai dispositivi a
 La resistenza RBB’ peggiora il
canale n
rumore serie
 OK per un tempo di formazione
intorno ai 50-100 ns
 Fissata una potenza i
dispositivi a canale n hanno
migliori prestazioni in
termini di velocità e rumore
 Ma
 Non può essere facilmente
implementata in un circuito
monolitico.
Tecnologia BICMOS
 OK per progetti a basso rumore,
bassa potenza dissipata ed alta
velocità.
 Ok per un tempo di formazione
nel range 20 ns – 2 s
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
Design approach and circuit configuration selection
Design procedure
Current mode
(transimpedance)
preamplifier
a.
Select the input device.
b.
Determine the 1/f corner
noise frequecy.
c.
Determine the corner noise
time constant.
d.
Size the input device for
detector matching.
e.
Bias the input device for noise
and speed specs
f.
Select a circuit configuration
Charge (pre)amplifier
g.
Identify parasitic noise
contributions.
 Best choice for low noise application.
Minimum parallel noise.
h.
Estimate seconde stage noise
sources
 but
Clarify the weighting of specs
speed-noise-power trade off
optimisation
 Pile-up.
i.
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 No pile-up.
 Very fast.
 but
 Additional parallel noise from
feedback resistor and current
sources.
 Needs an additional differentiator stage
 Gain is determined by on-chip capacitor.
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Rivelatori di particelle-elettronica di front-end
L’ENC 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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