Descrizione delle lezioni - Silicon Detector Laboratory

Scuola Nazionale
"Rivelatori ed Elettronica
per Fisica delle Alte Energie, Astrofisica,
Applicazioni Spaziali e Fisica Medica"
INFN Laboratori Nazionali di Legnaro
20-24 Aprile 2009
Descrizione delle lezioni
Lunedì 20 Aprile 2009 (pomeriggio).
Introduzione: ambienti di radiazione e rivelatori a semiconduttore
(Chairman: Dario Bisello, Dipartimento di Fisica, Università di Padova)
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14.00-15.40
Introduzione al danno da radiazioni: concetti, quantità fisiche, ambienti ostili
Jeffery Wyss, DIMSAT, Università di Cassino
L’interazione fra radiazione e materia è alla base sia del funzionamento di rivelatori e di sistemi
microelettronici per applicazioni scientifiche e tecnologiche sia, in alcuni casi, del loro
malfunzionamento. L’importanza del concetto di radiazione e di danno da radiazione investe molti
campi. É di notevole interesse per tutte le attività agli acceleratori di particelle e sui satelliti, dalle
scienze di base (Fisica delle Alte Energie, Astrofisica, Scienze dei Materiali), alle attività
commerciali nello spazio, per l’avionica, la medicina nucleare (diagnostica e terapia), e le
applicazioni industriali. Garantire il corretto funzionamento dei rivelatori e dell’elettronica è
importante soprattutto quando questi sistemi devono lavorare in ambienti ostili per la presenza di
radiazione. Non è perciò sorprendente che lo studio del danno da radiazione costituisca un campo
molto attivo nella ricerca applicata. In questa lezione illustrerò i concetti essenziali, le definizioni e
le grandezze in gioco (dose, Linear Energy Transfer, Non-Ionizing Energy Loss, Single Event
Effect, cross-section). L’approccio sarà elementare e di ampio respiro. Lo scopo è fornire ai novizi
gli strumenti di base per la comprensione di articoli più tecnici.
16.10-17.50
Introduzione ai rivelatori a semiconduttore dal punto di vista del dispositivo e
del sistema
Donato Creanza, INFN Sezione di Bari
La lezione sarà dedicata ad un’introduzione sui principi di funzionamento dei rivelatori a
semiconduttore, con particolare enfasi alle loro applicazioni come rivelatori di posizione. Verrà
assunta solo una conoscenza di base della Fisica dello stato solido e dei dispositivi elettronici.
Nella prima parte saranno richiamate le principali proprietà dei semiconduttori e verranno
discusse le più importanti relazioni che governano il comportamento delle giunzioni p-n. Verranno
quindi illustrate le applicazioni di tali relazioni nelle più usate tecniche di caratterizzazione elettrica
dei dispositivi ai fini dell’indagine sperimentale del danno da radiazione nei rivelatori al silicio, in
modo da favorire una migliore comprensione delle successive lezioni del corso. In questo contesto,
verrà anche illustrata la formazione del segnale in rivelatori caratterizzati da differenti geometrie
degli elettrodi di lettura.
La seconda parte della lezione sarà dedicata all’applicazione dei rivelatori a semiconduttore nei
sistemi di rivelazione di tracce in esperimenti di Fisica delle Alte Energie. Verranno discussi aspetti
legati alla complessità delle architetture necessarie per la loro realizzazione e per il loro
funzionamento, facendo riferimento all’esperienza di costruzione e commissioning degli apparati
per LHC ed ai progetti per i futuri tracciatori a Super-LHC.
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Martedì 21 Aprile 2009 (mattina)
Rivelatori a semiconduttore per Fisica delle Alte energie, Fisica Medica ed altre applicazioni
(Chairman: Donato Creanza, INFN Sezione di Bari)
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9.00-9.50
Danno da radiazione in rivelatori a semiconduttore
Mara Bruzzi, Dipartimento di Energetica, Università di Firenze
Quando un materiale semiconduttore viene esposto a bombardamento con fasci di particelle di
elevata energia, come neutroni veloci, raggi gamma, protoni ed elettroni di alta energia, si
producono difetti puntuali ed estesi nel reticolo cristallino con formazione di livelli discreti nella
banda proibita e conseguente degrado delle proprietà elettriche del dispositivo basato su tale
materiale.
Molti sono gli ambienti operativi ove si rende necessario uno studio dettagliato del danno da
radiazione dei dispositivi a semiconduttore. In applicazioni spaziali, le prestazioni elettriche delle
celle solari si degradano fortemente a causa dell’esposizione a particelle cariche energetiche. In
radioterapia clinica, la strumentazione utilizzata per la misurazione della dose, basata su materiali
semiconduttori/isolanti subisce un degrado a causa dell’esposizione prolungata alla radiazione di
fotoni X, raggi gamma, protoni di alta energia. Negli esperimenti di Fisica delle Alte Energie, e.g.
presso il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra, il problema investe i rivelatori di
posizione di nuova generazione, che dovranno essere operativi per fluenze di adroni veloci fino a
valori di 1016 cm-2 su un arco di lavoro di 5 anni, considerando un incremento di luminosità a
1035 cm-2s-1 .
Lo sviluppo dei rivelatori Ultra-Radiation-Hard (URH) richiede un avanzamento consistente
delle conoscenze tecnologiche attuali nel campo dei materiali. Nella lezione verranno presentati i
modelli più recenti del danno da radiazione nei materiali in studio dalla comunità scientifica
internazionale: silicio Float Zone, Czochralski, epitassiale, diamante, SiC, GaN ed altri
semiconduttori a gap elevato, anche in relazione alle condizioni operative (temperatura, condizioni
di manutenzione, annealing).
9.50-10.40
Recent developments to improve the radiation hardness
of semiconductor detectors
Michael Moll, CERN (Svizzera)
The planned luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (Super-LHC)
will provide a very challenging radiation environment for the tracking detector systems. With a
proposed nearly 10-fold luminosity increase to 1035 cm2 s-1, the innermost devices will have to be
able to withstand a charged hadron fluence of the order of 1016 particles/cm2 over the anticipated
lifetime of the LHC experiments. The fact, that some of the present LHC experiments inner tracking
devices will have to be replaced in a few years time due to the radiation damage, clarifies the huge
challenge posed by the demand to develop detectors for the Super-LHC project.
This lecture reviews the R&D work that has been performed in recent years in the framework of
dedicated R&D project like e.g. the CERN-RD50 project and by the LHC Experiments upgrade
groups. Special focus is put on the investigation of "new" silicon materials such as Magnetic
Czochralski, Diffusion Oxygenated Silicon and Epitaxial Silicon and the use of p-type instead of ntype silicon. Works related to 3D and Diamond sensors as well as the basic mechanisms leading to
detector degradation are not covered in detail as they are subject of other lectures of this course.
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Martedì 21 Aprile 2009 (mattina)
Rivelatori a semiconduttore per Fisica delle Alte energie, Fisica Medica ed altre applicazioni
(Chairman: Donato Creanza, INFN Sezione di Bari)
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11.10-12.00
Rivelatori 3D e Silicon Photomultiplier
Maurizio Boscardin / Claudio Piemonte, Fondazione Bruno Kessler (Trento)
La Fondazione Bruno Kessler (FBK) è attiva da più di 10 anni nel campo dei rivelatori in silicio
per Fisica delle Alte Energie, sia nella realizzazione di sensori con tecnologia planare sia nello
sviluppo di sensori innovativi. La lezione illustrerà due diverse tipologie di sensori attualmente
sviluppati in FBK:
1) "Rivelatori 3D". Diversamente dai convenzionali rivelatori planari, nei quali la raccolta della
carica generata dalla radiazione ha luogo sulla superficie del wafer, nei rivelatori 3D gli elettrodi
sono perpendicolari alla superficie del wafer e si estendono parzialmente o completamente
attraverso il volume della fetta. Sono tra i sensori candidati (grazie alla loro resistenza al danno da
radiazione) ad essere utilizzati negli acceleratori di prossima generazione.
2) "Silicon Photomultiplier" (Fotomoltiplicatori in silicio). La maggior parte dei sistemi usati per
la rivelazione di luce a bassa intensità si basa sull'utilizzo di tubi fotomoltiplicatori (PMT).
Recentemente sono stati sviluppati nuovi tipi di rivelatori basati su matrici di diodi al silicio che
lavorano in regime di valanga in "Geiger mode". Tali fotomoltiplicatori in silicio presentano molti
vantaggi rispetto ai tradizionali tubi fotomoltiplicatori tra cui l’insensibilità al campo magnetico, la
robustezza, la compattezza e la bassa tensione operativa.
12.00-12.50
Rivelatori per protonterapia: risultati dell'esperienza svolta nell'ambito
della facility CATANA ai Laboratori Nazionali del Sud
Giacomo Cuttone, INFN Laboratori Nazionali del Sud
La Protonterapia rappresenta, oggi, la più promettente tecnica di radioterapia con fasci esterni nei
trattamenti di tumori. Ai Laboratori Nazionali del Sud dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
(INFN-LNS) di Catania, una struttura di Protonterapia è attiva dal Marzo 2002 e fino ad oggi oltre
160 pazienti, principalmente affetti da melanoma coroideale e dell’iride sono stati trattati con
successo. I fasci di protoni sono caratterizzati da più elevati gradienti di dose e di trasferimento
lineare di energia rispetto ai fasci convenzionali di elettroni e fotoni, comunemente utilizzati per la
radioterapia. Per questi motivi, rilevatori e nuovi materiali sono continuamente sviluppati e studiati
per trovare le soluzioni migliori per la dosimetria relativa e assoluta con fasci di protoni. Verranno
presentate le esperienze acquisite nella caratterizzazione dei diversi sistemi di dosimetria, studiate
e/o sviluppate nel corso degli ultimi dieci anni nella nostra struttura di Protonterapia. Particolare
attenzione sarà posta all’impiego della camera a ionizzazione, ai rivelatori a semiconduttore (TLD,
MOSFET, Silici, Diamanti naturali e sintetici), alle tecniche di tipo fotodensitometrico ed
all’impiego di rivelatori bidimensionali, quali le camere a strip.
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Martedì 21 Aprile 2009 (pomeriggio)
Rivelatori a semiconduttore per Fisica delle Alte energie, Fisica Medica ed altre applicazioni
(Chairman: Mara Bruzzi, Dipartimento di Energetica, Università di Firenze)
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14.00-15.40
Monolithic Pixel Sensors: from High Energy Physics to Fast Nano-Imaging
Marco Battaglia, Lawrence Berkeley National Laboratory (USA)
Monolithic pixel sensors are being developed to cope with the requirements of Collider Physics
experiments beyond the LHC. Technologies, architectures and recent achievements and open issues
are discussed. There is a significant convergence of needs for rad-tolerant pixels with small cells,
thin substrate and fast readout from applications outside of High Energy Physics. Technologies and
designs originally developed for applications at an e+-e- linear collider are being redirected to
respond to these needs and provide science-ready devices for imaging applications. I shall discuss
in particular the examples of transmission electron microscopy and beam monitoring through
projects carried out at the Lawrence Berkeley National Laboratory and elsewhere.
16.10-17.00
Spettrometria e dosimetria neutronica con rivelatori a semiconduttore
Andrea Pola, Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano
La lezione verterà sulla descrizione di sistemi di rivelazione innovativi per la spettrometria e
dosimetria neutronica basati su rivelatori al silicio. In particolare saranno presentate le modalità e le
problematiche relative all’impiego in tali ambiti di rivelatori al silicio tradizionali e saranno
descritte le tecniche ed i dispositivi sviluppati nel tentativo di risolverle o minimizzarle. Particolare
attenzione sarà rivolta ai sistemi basati su telescopi monolitici al silicio che, opportunamente
accoppiati a convertitori plastici, possono essere utilizzati per spettrometria di neutroni di bassamedia energia o per la microdosimetria di campi neutronici. Saranno infine presentati alcuni
sviluppi relativi all’impiego di rivelatori a semiconduttore nella dosimetria clinica.
17.00-17.50
Rivelatori a diamante
Cristina Tuvè, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Catania
Il diamante presenta delle caratteristiche elettroniche molto peculiari che lo rendono un materiale
ottimale per la costruzione di rivelatori di particelle. Il vantaggio di essere resistente al
danneggiamento da radiazioni fa sì che i rivelatori a diamante sintetico possano essere utilizzati in
ambienti soggetti ad alti flussi di radiazioni (esperimenti a Super-LHC o nei reattori nucleari).
Diamanti sintetici a singolo cristallo di alta qualità sono stati prodotti utilizzando la tecnica
"Microwave plasma enhanced chemical vapor deposition" (sCVD).
Nella lezione vengono presentati i principi di funzionamento dei rivelatori a diamante, la loro
caratterizzazione con sonde nucleari e illustrate alcune applicazioni nel campo della rivelazione di
particelle e della rivelazione di neutroni. Infine, essendo il diamante un materiale tessuto
equivalente, si stanno caratterizzando dei dosimetri di diamante sCVD: nella lezione vengono
presentati alcuni risultati su questo campo di ricerca.
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Mercoledì 22 Aprile 2009 (mattina)
Rivelatori ed elettronica di lettura in Fisica delle Alte Energie ed Astrofisica
(Chairman: Matteo Pegoraro, INFN Sezione di Padova)
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9.00-10.40
Elettronica di front-end per tracciatori in silicio
Valerio Re, Dipartimento di Ingegneria industriale, Università di Bergamo
In questa lezione vengono discussi i principi generali e le tecnologie di realizzazione
dell’elettronica di lettura per i tracciatori in silicio a pixel e a microstrip che vengono utilizzati nei
moderni esperimenti di Fisica delle Alte Energie. L’elevatissima granularità di questi rivelatori
richiede di utilizzare circuiti di front-end a segnali misti fabbricati in tecnologie ad altissima densità
di integrazione. Vengono analizzati i criteri di progetto che portano tali circuiti a soddisfare severi
requisiti fra cui basso rumore, elevata velocità e resistenza alle radiazioni. Dopo aver discusso i
problemi fondamentali associati all’elettronica di front-end, la lezione esamina alcune delle
soluzioni che sono state adottate in chip di lettura utilizzati nelle applicazioni sperimentali.
11.10-12.00
Le sfide per i tracciatori a Super-LHC
Fabrizio Palla, INFN Sezione di Pisa
Il previsto aumento di un ordine di grandezza nella luminosità di LHC, il cosidetto Super-LHC,
comporterà il rifacimento degli attuali rivelatori al silicio di ATLAS e CMS, a causa della
degradazione dovuta ai danni da radiazione, soprattutto per i rivelatori più vicini al punto di
collisione dei fasci, ed alla contemporanea maggiore densità di tracce aspettata (circa 4000 per unità
di pseudo-rapidità). Quest’ultima richiederà un conseguente aumento della densità di canali di
lettura. Affinché questo sia possibile mantenendo pressoché costante la potenza dissipata, è
necessario sviluppare un programma di R&D mirato sia allo sviluppo di sensori innovativi, sia alla
riduzione della densità di potenza dell’elettronica e del material budget, con soluzioni innovative
nella scelta delle alimentazioni di bassa tensione e del raffreddamento, nonché della meccanica di
supporto. Infine, è richiesto che il nuovo tracciatore fornisca un’informazione di trigger di primo
livello. Ciò richiederà lo sviluppo di tecniche di selezione veloce e di link ad altissima banda
tolleranti alla radiazione, capaci di lavorare a basse temperature e a elevati campi magnetici.
La lezione affronterà le problematiche sopra esposte e presenterà lo stato attuale dei progetti di
R&D nei vari settori.
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Mercoledì 22 Aprile 2009 (mattina)
Rivelatori ed elettronica di lettura in Fisica delle Alte Energie ed Astrofisica
(Chairman: Matteo Pegoraro, INFN Sezione di Padova)
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12.00-12.50
Applicazione di tre differenti tecnologie
nell' "Inner Tracking System" di ALICE
Rosario Turrisi, INFN Sezione di Padova
di
rivelatori
al
silicio
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è l'esperimento a LHC dedicato allo studio delle
reazioni tra ioni pesanti alle più alte energie mai raggiunte in laboratorio, dove sarà riprodotto e
analizzato lo stato della materia noto come Quark Gluon Plasma (QGP). ALICE è stato quindi
progettato per gestire alte molteplicità di particelle cariche (≈104) e un ampio intervallo in energia
(100 MeV-100 GeV), con ampie capacità d’identificazione delle particelle. Le informazioni
principali sui prodotti delle reazioni derivano dalla ricostruzione delle loro traiettorie: il
tracciamento. Da questo si possono ricavare l’impulso e il parametro d’impatto, definito come
minima distanza della traiettoria dal vertice principale della reazione. Sulla possibilità di misurare
con precisione (<100 μm) il parametro d’impatto delle singole particelle e i vertici primari e
secondari, si basa la possibilità di studiare la Fisica dei quark pesanti (charm, beauty), fondamentali
"per sè" e per lo studio del QGP. Queste prestazioni sono garantite in ALICE dall’ "Inner Tracking
System". Esso è composto di sei strati di rivelatori al silicio, con tre diverse tecnologie, che
intervengono in maniera complementare alla realizzazione di un tracciatore di elevata precisione.
Nel seminario saranno descritti gli elementi principali di questo dispositivo, evidenziando le
motivazioni alla base delle scelte progettuali. Si mostreranno anche i principali risultati sulle
prestazioni ottenuti con i primi run con raggi cosmici.
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Mercoledì 22 Aprile 2009 (pomeriggio)
Rivelatori ed elettronica di lettura in Fisica delle Alte Energie ed Astrofisica
(Chairman: Carlo Broggini, INFN Sezione di Padova)
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14.00-14.50
Le sfide tecnologiche della misura del flusso di raggi cosmici nello spazio:
l'esperimento Alpha Magnetic Spectrometer
Giovanni Ambrosi, INFN Sezione di Perugia
La lezione ha come obiettivo la descrizione delle motivazioni scientifiche e delle problematiche
tecnologiche legate alle misure di precisione dei flussi di raggi cosmici nello spazio.
La presentazione utilizzerà come paradigma l'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS): un
rivelatore di particelle di grande accettanza (0.5 m2/sr) progettato per la misura accurata dei flussi di
raggi cosmici con una rigidità compresa nell'intervallo 500 MeV-2 TeV. Lo spettrometro di AMS è
composto da un magnete superconduttore (B=0.8 T) equipaggiato con otto piani di tracciatore al
silicio. Il trigger è definito da due piani di scintillatori, sopra e sotto il tracciatore, utilizzati anche
per la misura del tempo di volo. Un rivelatore a radiazione di transizione, posto sopra al tracciatore,
e un rivelatore a Cherenkov sono utilizzati rispettivamente per la discriminazione elettroni/protoni e
per la misura della velocità delle particelle. Un calorimetro elettromagnetico completa il sistema per
la discriminazione elettroni/protoni.
Attualmente il rivelatore è al CERN, per completare la fase di integrazione a cui seguirà un test
su fascio ed un test di termovuoto presso il laboratorio ESA/ESTEC. Nel Gennaio 2010 AMS sarà
trasportato in Florida, al Kennedy Space Center della NASA, pronto per il lancio a bordo dello
Shuttle e l'installazione sull’ International Space Station.
Nella lezione saranno introdotte le motivazioni per le quali si rende necessaria la misura nello
spazio, così come gli accorgimenti progettuali ed il processo di qualifica necessario per la messa in
orbita di un rivelatore con prestazioni e caratteristiche tipiche della Fisica delle particelle
elementari.
14.50-15.40
L’esperimento PANDA ed il rivelatore a pixel per il microvertice
Daniela Calvo, INFN Sezione di Torino
L’esperimento PANDA, attualmente in fase di studio e progettazione, verrà installato presso la
futura facility FAIR, nel laboratorio GSI a Darmstadt. Con tale apparato, utilizzando le
annichilazioni di antiprotoni, con impulso compreso tra 1-15 GeV/c, con protoni o nuclei, si
affronteranno la spettroscopia degli stati di charmonio, la ricerca di ibridi e glueballs, lo studio delle
proprietà dei mesoni nel mezzo nucleare ed infine lo studio di ipernuclei singoli e doppi.
Questo ambizioso programma pone specifiche richieste al rivelatore di microvertice, basato su
microstrips e pixel al silicio: buona risoluzione spaziale (qualche decina di μm per la ricostruzione
del vertice secondario di decadimento, come per il mesone D), buona risoluzione temporale (6 ns
rms con un clock a 50 MHz e 107 annichilazioni/s), trasmissione continua dei dati dovuta
all’acquisizione "triggerless", identificazione delle particelle attraverso la misura della perdita di
energia, limitato "material budget" per l’ampio spettro in impulso delle particelle a partire da
qualche centinaio di MeV/c (qualche % di lunghezza di radiazione), resistenza al danneggiamento
da radiazione, in particolare nella regione in avanti dove si attende una fluenza annua di 5·1013
neutroni/cm2.
Per poter soddisfare tali richieste, è stato proposto un rivelatore a pixel ibridi custom,
caratterizzato da sensori in silicio epitassiale ed elettronica di lettura in tecnologia CMOS 130 nm
(la misura della perdita di energia (dE/dx) è ottenuta con la tecnica del Time Over Threshold). A tal
fine sono stati studiati, realizzati e caratterizzati, anche dal punto di vista del danno da radiazione,
alcuni prototipi. Verranno quindi illustrati l’apparato PANDA ed in particolare il rivelatore a pixel
attraverso i risultati ottenuti con i prototipi.
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Mercoledì 22 Aprile 2009 (pomeriggio)
Rivelatori ed elettronica di lettura in Fisica delle Alte Energie ed Astrofisica
(Chairman: Carlo Broggini, INFN Sezione di Padova)
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16.10-17.00
Il Fermi Large Area Telescope, rilevatore per l'Astronomia gamma
Riccardo Rando, Dipartimento di Fisica, Università di Padova
Il Fermi Gamma Space Telecope (FGST) è una missione NASA con una importante
partecipazione Italiana frutto della collaborazione tra Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale
di Fisica Nucleare ed Istituto Nazionale di Astrofisica. FGST porta a bordo due strumenti: il LAT
(Large Area Telescope), il telescopio gamma al quale ha contribuito in modo determinante l'Italia,
ed il GBM (Gamma-ray Burst Monitor), dedicato allo studio dei burst gamma.
Il LAT utilizza la collaudata tecnologia di tracciatura basata su rivelatori al silicio e, rispetto a
missioni precedenti, l'efficienza è aumentata di un ordine di grandezza e il tempo morto diminuito
di più di un fattore 1000. Inoltre il tracciatore è completato da un massiccio calorimetro, capace di
misurare l'energia di fotoni fino a energie accessibili ai grandi telescopi Cerenkov a terra. Uno
schermo di anticoincidenza permette di discriminare l'esiguo segnale gamma dal flusso elevatissimo
di particelle cariche in orbita.
17.00-17.50
L’esperimento PAMELA: un apparato su satellite per lo studio della
radiazione cosmica
Walter Bonvicini, INFN Sezione di Trieste
PAMELA (a Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) è un
esperimento progettato per lo studio della radiazione cosmica carica, con particolare riguardo alla
componente di antimateria. L’apparato è costituito da uno spettrometro magnetico (composto da un
magnete permanente e sei piani di rivelatori al silicio a microstrip), un calorimetro elettromagnetico
tracciante al silicio-tungsteno, un rivelatore di neutroni, tre doppi piani di scintillatori che
costituiscono il sistema di trigger/tempo di volo ed un sistema di anticoincidenze. PAMELA è stato
lanciato il 15 giugno 2006 a bordo del satellite russo Resurs-DK1 e dall’11 Luglio 2006
l’esperimento è in presa dati continua. Nella lezione, dopo un'introduzione all'esperimento
PAMELA, verranno esaminati nel dettaglio i rivelatori che costituiscono l’apparato, evidenziando
le varie scelte sperimentali operate per soddisfare, da un lato, gli obiettivi di Fisica
dell’esperimento, e dall’altro, le particolari condizioni operative imposte dall’ambiente spaziale.
Verranno inoltre illustrati alcuni importanti risultati scientifici raggiunti da PAMELA, in particolare
riguardanti le misure di antiprotoni e positroni.
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Giovedì 23 Aprile 2009 (mattina)
Effetti delle radiazioni sull'elettronica e tecniche di mitigazione per lo Spazio
(Chairman: Giovanni Busatto, DAEIMI, Università di Cassino)
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9.00-10.40
Effetti della radiazione su dispositivi elettronici e tecnologie
Federico Faccio, CERN (Svizzera)
I dispositivi elettronici funzionanti in presenza di radiazioni, come ad esempio nelle applicazioni
spaziali, nucleari ed in Fisica delle Alte Energie, possono essere soggetti ad un largo spettro di
effetti, che possono provocare anche dei malfunzionamenti sia temporanei che permanenti.
La lezione riassumerà i principali effetti indotti dalla radiazione sui dispositivi e sulle tecnologie
elettroniche. Una prima classe di effetti è dovuta all'accumulo nel tempo della radiazione, ed in
questa classe si discuteranno gli effetti della deposizione dell'energia ionizzante (total ionizing
dose) e non ionizzante (displacement damage) in tecnologie CMOS e bipolari. Una seconda classe
di effetti, dovuta alla ionizzazione istantanea di particelle attraversanti i dispositivi, verrà analizzata
a partire dai meccanismi fisici fondamentali, e verranno discusse le conseguenze di questi effetti
sull'affidabilità dei circuiti elettronici. Nella parte finale della lezione verranno presentate delle
tabelle riassuntive riguardanti gli effetti della radiazione discussi ed il danno equivalente indotto da
particelle di diverso tipo ed energia.
11.10-12.00
Effetti della radiazione sull’elettronica CMOS: approfondimento
Simone Gerardin,
Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Padova
Scopo di questa lezione è illustrare le grandezze e i fenomeni fisici fondamentali, che stanno alla
base degli effetti 'hard' e 'soft' della radiazione ionizzante sull’elettronica CMOS. Verrà introdotta la
distinzione tra effetti da evento singolo, dovuti all’interazione di una singola particella dotata di alto
potere ionizzante con un chip elettronico; e effetti di dose totale, legati al progressivo accumulo di
difetti e carica intrappolata all’interno dei dielettrici, quali l’ossido di gate e gli ossidi di isolamento.
Verranno presentati in dettaglio due meccanismi di base fondamentali: la generazione e la raccolta
di carica in una cella di memoria statica (SRAM) colpita da una singola particella ionizzante; e la
generazione di difetti e carica intrappolata nel biossido di silicio esposto a radiazione. Infine si
analizzerà l’impatto della miniaturizzazione dei componenti elementari CMOS sugli effetti della
radiazione ionizzante.
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Giovedì 23 Aprile 2009 (mattina)
Effetti delle radiazioni sull'elettronica e tecniche di mitigazione per lo Spazio
(Chairman: Giovanni Busatto, DAEIMI, Università di Cassino)
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12.00-12.50
Attività ASI per la componentistica spaziale
Francesco Svelto, Agenzia Spaziale Italiana (Roma)
Nell’ambito dei programmi di innovazione tecnologica condotti dall’ASI un ruolo particolare
rivestono quelli concernenti la componentistica per uso spaziale. Questi possono riguardare sia lo
sviluppo di componenti esplicitamente pensati in funzione delle esigenze delle piattaforme orbitanti
sia la qualifica per le particolari condizioni ambientali e di funzionamento di componenti sviluppati
o in via di sviluppo per applicazioni terrestri.
Nel primo caso può essere inclusa la realizzazione di celle solari di GaAs, materiale troppo
costoso per la generazione di energia a terra, ma che presenta grandi vantaggi nello spazio,
specialmente in condizioni estreme quali quelle delle missioni interplanetarie.
Per quanto riguarda il secondo caso, le attività vengono sviluppate nel quadro di un programma
coordinato da ESA, la "European Component Initiative", mirato soprattutto alla non-dipendenza per
alcuni componenti strategici il cui acquisto al di fuori dell’Europa può essere limitato da
regolamentazioni quali la ITAR statunitense.
Tra questi hanno particolare rilevanza i componenti per amplificatori in GaN. Questo materiale,
in grado di fornire potenze di uscita di un ordine di grandezza superiori a quelle del GaAs,
attualmente è oggetto di sviluppi soprattutto in ambito militare, ma presenta anche un grande
interesse in ambito spaziale nel campo dell’osservazione della terra mediante SAR e delle
telecomunicazioni.
In questa presentazione si fornirà un panorama delle principali attività commissionate da ASI, di
cui si sono citati in precedenza solo alcuni esempi, nel campo della componentistica inserite in un
quadro europeo.
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Giovedì 23 Aprile 2009 (pomeriggio)
Effetti delle radiazioni sull'elettronica e tecniche di mitigazione per lo Spazio
(Chairman: Simone Gerardin, Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Padova)
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14.00-14.50
Sistemi riconfigurazionabili e software radio per applicazioni satellitari
Adelio Salsano / Gian Carlo Cardarilli
Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università di Roma "Tor Vergata"
Lo sviluppo di sistemi elettronici per lo spazio è sempre più vincolato a richieste economiche e
tecniche che portano allo sviluppo e all’utilizzo di nuove metodologie progettuali e realizzative.
La sensibilità dei circuiti integrati alle radiazioni è da sempre uno dei problemi principali nella
realizzazione di sistemi elettronici per applicazioni spaziali, problema ancora cresciuto per i sistemi
di ultima generazione per l’enorme aumento della frequenza dei cosiddetti "soft errors", determinati
dall’impatto di raggi cosmici, neutroni o di particelle alfa sui circuiti integrati. La soluzione di
questo problema è stata finora cercata nella multiplazione dei sistemi e/o nell’utilizzo di
componentistica "hardened", con prestazioni ridotte rispetto ai circuiti integrati di ultima
generazione e aumenti di peso e di potenza per l’elevatissima ridondanza.
Infine lo sviluppo delle tecnologie spinge alla ricerca di architetture flessibili fino alla possibilità
di modificare in volo l’obiettivo della missione.
Questi aspetti comportano due problematiche fondamentali:
1) lo studio della sensibilità delle diverse tecnologie alle radiazioni e la possibilità di contrastarne
gli effetti mediante opportune scelte architetturali;
2) lo studio di architetture flessibili e riconfigurabili che abbiano anche robustezza rispetto ai
fenomeni indotti dalle radiazioni.
La prima parte della lezione, sulla base dei dati di sensibilità alle radiazioni, illustra come
affrontare con circuiti commerciali i possibili guasti e i conseguenti malfunzionamenti del sistema
secondo criteri predeterminati.
Per ciò che riguarda invece le richieste di flessibilità, nella seconda parte della lezione è illustrata
la possibilità di riconfigurazione secondo l’approccio genericamente chiamato "Software Defined
Radio" (SDR) e normalmente impiegato per satelliti di telecomunicazione rigenerativi. Sono quindi
illustrate alcune delle caratteristiche della SDR, orientate ai sistemi spaziali e le tecniche da
utilizzare per la definizione di una piattaforma SDR che sfrutti la riconfigurabilità anche per
aumentare la tolleranza ai guasti indotti dalle radiazioni.
14.50-15.40
Simulare "Soft-error" in "SRAM-based FPGA": la piattaforma FLIPPER
Monica Alderighi / Fabio Casini, INAF - IASF Milano
I dispositivi logici programmabili basati su tecnologia SRAM hanno acquisito un ruolo di primo
piano nella realizzazione di sistemi per applicazioni spaziali. Ridotti costi e tempi di sviluppo e
possibilità di riprogrammazione in orbita sono le principali caratteristiche che li contraddistinguono.
A questa estrema flessibilità si affianca una elevata vulnerabilità alle radiazioni ionizzanti, che
possono provocare danneggiamenti tali da inficiarne le funzionalità. FLIPPER è uno strumento
concepito per investigare la sensibilità alle radiazioni di circuiti realizzati mediante dispositivi
SRAM-FPGA e predirne il comportamento. Lo scopo del seminario è illustrare le caratteristiche di
FLIPPER e presentare esempi del suo utilizzo, sia per valutare il grado di protezione offerto da
diverse tecniche di mitigazione che per prevedere il comportamento dei dispositivi in esperimenti di
irraggiamento.
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Giovedì 23 Aprile 2009 (pomeriggio)
Effetti delle radiazioni sull'elettronica e tecniche di mitigazione per lo Spazio
(Chairman: Simone Gerardin, Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Padova)
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16.10-17.00
Overview of FPGA activities in European Space Agency
David Merodio Codinachs, European Space Agency - ESTEC (Olanda)
Nowadays there is an increasing interest in FPGA's for Space applications, but hardening circuits
against radiation effects that occur in space is a complex task. Without being protected by the
Earth’s magnetic field, integrated circuits are exposed to ionizing radiation, which can disrupt the
circuit behavior. In this lesson the attention will be focused on the present activities pushed by the
European Space Agency for the utilization of FPGA's on board satellites, on the state-of-the-art
techniques for evaluating and preventing the non-functionalities, and for mitigating Single Event
Effects (SEE) in such devices.
17.00-17.50
Uso di dispositivi logici riconfigurabili nello Spazio: problemi
e possibili soluzioni
Massimo Violante, Dipartimento di Automatica e Informatica, Politecnico di Torino
Gli sviluppatori di applicazioni spaziali stanno dimostrando un interesse sempre maggiore per
l'uso di dispositivi logici riconfigurabili, in quanto tali dispositivi offrono numerosi vantaggi
rispetto gli ASIC: hanno un costo minore, permettono un tempo di sviluppo ridotto, e offrono la
possibilità di cambiare la funzionalità implementata mediante una semplice operazione di
riprogrammazione. L'ambiente radioattivo spaziale può influire negativamente sulla funzione svolta
da tali dispositivi, e quindi il loro utilizzo può avvenire solo a patto di ricorrere ad opportune
tecniche di progetto. Lo scopo di questo seminario è di illustrare le problematiche che gli
sviluppatori di applicazioni spaziali basate su dispositivi logici riconfigurabili devono affrontare, e
quali soluzioni possono essere utilizzate. Nel seminario verranno prese in esame tre tecnologie per
la realizzazione di dispositivi logici riconfigurabili: tecnologie resistenti alle radiazioni, tecnologie
SRAM commerciali, tecnologie Flash commerciali.
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Venerdì 24 Aprile 2009 (mattina)
Apparati di irraggiamento Italiani ed Europei per applicazioni interdisciplinari
(Chairman: Marco Lavalle, CNR-ISOF, Bologna)
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9.00-9.50
L'attività di qualificazione di
l'esperienza MAPRad
Behcet Alpat, INFN Sezione di Perugia
componenti
elettronici
in
Italia:
Si descrivono le attività svolte da MAPRad in stretta collaborazione con INFN nell'implementare
un approccio end-to-end per lo studio dettagliato di suscettibilità alla radiazione dei componenti e
dei sistemi elettronici. Si portano gli esempi di alcuni studi di qualifica per SEE; dalla simulazione
dell'ambiente spaziale alla preparazione e all'effettuazione dei test presso i Laboratori Nazionali del
Sud dell'INFN. In base ai risultati ottenuti vengono proposte le tecniche di mitigazione. I risultati
ottenuti al fascio vengono confrontati con quelli acquisiti in laboratorio con il sistema laser.
9.50-10.40
Il Distretto Veneto dell’Aerospazio e dell’Astrofisica
Gianpietro Marchiori, Parco Scientifico e Tecnologico VEGA (Venezia)
La creazione di un Distretto Veneto dell’Aerospazio e dell’Astrofisica nasce dalla necessità di
promuovere nel territorio Veneto alleanze tra imprese, fornitori, clienti, centri di ricerca e sistemi
finanziari, per condividere risorse produttive nell’ambito dei settori dello Spazio, dell’Astrofisica,
dell’Aeronautica e dell’Aeroportuale.
Il Distretto Veneto dell’Aerospazio e dell’Astrofisica, denominato SkyD, vuole essere
l’espressione delle migliori capacità del territorio per divenire non solo il luogo di incontro e di
scambio utile tra i soggetti che vi prendono parte, ma anche l’occasione per sviluppare una
progettualità strategica rivolta alla competizione in sede europea ed internazionale, nonché un
laboratorio per l’esportazione di tecnologie innovative verso altri settori. Più in particolare, ed a
titolo esemplificativo e non esaustivo, tra gli obiettivi del Distretto vi sono quelli di:
-promuovere un sistema di laboratori a rete per la ricerca e l’innovazione;
-intensificare le iterazioni con le reti di competenze attive nel settore a livello comunitario ed
internazionale;
-attivare progetti di ricerca e sviluppo tecnologico;
-sviluppare interventi di sostegno per favorire la presenza del sistema regionale della ricerca nei
grandi progetti comunitari e internazionali;
-potenziare un sistema integrato volto alla formazione di eccellenza per i diversi livelli
professionali necessari allo sviluppo nei campi di riferimento;
-promuovere lo sviluppo dell’imprenditoria tecnologica anche mediante l’attrazione di
investimenti dedicati;
-accelerare iniziative volte a favorire la nascita e lo sviluppo di nuove imprese attraverso spin-off
accademici, d’impresa, di ricerca.
L’istituzione del Distretto dell’Aerospazio e dell’Astrofisica punta a mettere assieme soggetti
appartenenti a diverse categorie, e quindi in ambiti di azione complementari tra loro, ma accomunati
dall’interesse nei confronti del territorio in cui operano, e dalla necessità di sviluppare idee
progettuali in un settore dalle grandi potenzialità.
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Venerdì 24 Aprile 2009 (mattina)
Apparati di irraggiamento Italiani ed Europei per applicazioni interdisciplinari
(Chairman: Marco Lavalle, CNR-ISOF, Bologna)
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11.10-12.00
Formazione, ricerca e trasferimento tecnologico dal settore Aerospaziale
Stefano Debei, Centro Interdipartimentale Studi e Attività Spaziali (Padova)
Il CISAS (Centro Interdipartimentale Studi e Attività Spaziali) è stato istituito presso l'Università
degli studi di Padova nel 1991: la nascita del CISAS ha permesso di proseguire la tradizione che ha
visto l’Università di Padova impegnata nella Ricerca Spaziale iniziata dal prof. Bepi Colombo. Il
CISAS include attualmente più di 40 membri effettivi, attivamente impegnati nella ricerca in tale
ambito. Il Centro si avvale della collaborazione di circa 60 persone, tra cui funzionari tecnici,
dottori di ricerca, assegnisti di ricerca e fruitori di borse post-dottorato. La maggior parte dei
Laboratori e Infrastrutture sono messe a disposizione dagli stessi Dipartimenti.
La lezione presenterà una panoramica dei campi di ricerca in cui il CISAS è stato/è impegnato e
descriverà le importanti ricadute tecnologiche avute grazie a tali attività di ricerca. In particolare
negli ultimi due anni il CISAS ha fondato due nuovi laboratori: uno per il Trasferimento
Tecnologico e uno per l’Ipervelocità: strumentazione e S/W dedicati alle nuove ricerche sono
continuamente acquisiti e sviluppati dal Centro che ad oggi rappresenta un riferimento europeo in
varie discipline spaziali.
12.00-12.50 MITICA: il prototipo dell'iniettore di neutri da 1 MeV-22 MW per ITER
Piergiorgio Sonato, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università di Padova
Nell'area di ricerca del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Padova verrà realizzato il prototipo
dell'iniettore di neutri che verrà successivamente realizzato e installato in ITER e che servirà per il
riscaldamento del plasma per raggiungere le condizioni di Q=10 di amplificazione dell'energia da
fusione prodotta nel tokamak. L'iniettore di neutri è basato su un acceleratore elettrostatico da 1 MV
di un fascio di ioni negativi di deuterio aventi una corrente totale di 40 A all'uscita degli stadi di
accelerazione. Il fascio verrà poi neutralizzato e impatterà e rilascerà la sua energia su un
calorimetro che dovrà rimuovere l'energia termica di circa 22 MW posseduta dal fascio.
L'iniettore prototipo di Padova è dotato di numerose apparecchiature diagnostiche per la
caratterizzazione del fascio per permettere lo sviluppo fino alle prestazioni nominali richieste e, nel
futuro, per sperimentare nuovi concetti degli elementi principali che compongono la sorgente di
ioni, l'acceleratore, il sistema di neutralizzazione e il sistema di rimozione degli ioni residui.
Il fascio interagendo con i vari componenti e in particolare con il calorimetro darà origine a
radiazioni di varia natura la cui influenza su apparecchiature diagnostiche circostanti e sui materiali
più critici quali i materiali isolanti rappresentano un aspetto cruciale e critico che richiede
un'adeguata attività di analisi e di ricerca i cui risultati potranno essere di interesse più generale per
molte apparecchiature installate in ITER.
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Venerdì 24 Aprile 2009 (pomeriggio)
Apparati di irraggiamento Italiani ed Europei per applicazioni interdisciplinari
(Chairman: Dario Bisello, Dipartimento di Fisica, Università di Padova)
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14.00-14.50
Radioterapia Oncologica con particelle cariche: aspetti tecnico-scientifici e
disponibilità di acceleratori industriali
Augusto Lombardi, INFN Laboratori Nazionali di Legnaro
La terapia oncologica con fasci di particelle cariche sta prendendo sempre più spazio
nell’oncologia medica ed ha sicuramente superato la sua fase sperimentale per entrare nella fase di
pratica clinica consolidata. In questa presentazione, partendo dalle definizioni di base e da cenni
storici sull’utilizzo di raggi X e particelle cariche per la cura dei tumori, si presentano le procedure e
le componenti tecnologiche che servono per la terapia. Oggi le sorgenti di fasci ad alta energia per
questa terapia, e cioè gli acceleratori di particelle, sono disponibili non solo in centri per la ricerca
in fisica fondamentale e nucleare ma anche in centri ospedalieri e altri centri dedicati stanno
nascendo sia in occidente che in Asia.
14.50-15.40
Acceleratori di particelle: uso clinico
Bernardino Ascione, U. O. Fisica Sanitaria, ULSS 12 (Venezia)
Negli ultimi anni la radioterapia è diventata sempre più efficace e contribuisce ad una più lunga
sopravvivenza dei pazienti; questo però comporta un possibile aumento delle recidive e degli effetti
tardivi delle radiazioni sugli organi circostanti la regione trattata. In particolare in questi ultimi anni
si stanno sviluppando metodiche sempre più avanzate al fine di riuscire a ridurre le mortalità dovute
a recidive del tumore primario. Tali metodiche permettono di concentrare la dose sui volumi
tumorali cercando di mantenere entro livelli di tolleranza le dosi impartite ai tessuti normali
circostanti.
La radioterapia con fasci di protoni rappresenta la metodica in linea di principio ottimale per
raggiungere i suddetti obiettivi, consentendo di soddisfare tutte le necessità cliniche in quanto la
favorevole distribuzione di dose rilasciata da un fascio di protoni permette di aumentare la dose al
bersaglio senza aumentare la dose agli organi a rischio. In questa presentazione verranno mostrati
gli aspetti radioprotezionistici, di qualità del fascio, dosimetrici ed infine verranno accennate le
metodiche di pianificazione della terapia con protoni.
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Venerdì 24 Aprile 2009 (pomeriggio)
Apparati di irraggiamento Italiani ed Europei per applicazioni interdisciplinari
(Chairman: Dario Bisello, Dipartimento di Fisica, Università di Padova)
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15.40-16.10
Dagli studi dell'interazione delle particelle con
all'adroterapia con neutroni
Paolo Colautti, Laboratori Nazionali di Legnaro dell'INFN
bersagli
biologici
Molti tumori, per esempio quelli ipossici, resistono alle radiazioni ordinarie (fotoni ed elettroni)
meglio dei tessuti sani. Quando si scoprì la grande efficacia biologica dei neutroni verso i tumori
radioresistenti, l’utilizzo di fasci di neutroni per distruggere i tumori diventò un obiettivo dei
radioterapisti. Tale obiettivo è diventato però realistico solo dopo che furono realizzati i primi
rivelatori di neutroni in grado di misurare l’energia che essi rilasciano in un bersaglio tessutoequivalente dalle dimensioni di un nucleo cellulare o meno. Gli spettri di impulsi di tali rivelatori
(detti microdosimetri) si correlano infatti bene con l’effetto biologico relativo di vari tipi di
radiazione (fotoni, protoni, neutroni), permettendo così ai medici di calcolare la dose
biologicamente efficace con buona precisione. Una versione miniaturizzata di tali rivelatori
permetterà di misurare con precisione le dosi assorbite e l’efficacia biologica delle varie
componenti di radiazione presenti nel complesso campo generato dalla BNCT (Boron Neutron
Capture Therapy). La BNCT è una terapia binaria. Un flusso di neutroni termici viene indirizzato
sul tumore dopo che del 10B sia stato fatto assorbire dalle cellule tumorali tramite un veicolatore
organico specifico. La reazione nucleare conseguente distrugge selettivamente le cellule drogate
con 10B.
Verranno illustrate le caratteristiche fenomenologiche e microdosimetriche del campo di
radiazione BNCT. Verrà quindi descritto il progetto INFN per costruire presso i LNL un centro per
curare il melanoma maligno della pelle con la BNCT.
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