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Studio della dipendenza dalla temperatura delle
prestazioni del tracciatore a silicio
di GLAST
19 Maggio 2005
Relatori:Prof. P. SpinelliDott. F. Loparco
Laureanda:Claudia Monte
Sommario:
Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici
Esperimento GLAST: la strumentazione
Il rivelatore a silicio di GLAST
Analisi delle sorgenti di rumore elettronico
I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT
Presentazione dei risultati sperimentali
Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici1. Definizione di una mappa del cielo gamma più completa rispetto a
quella di EGRET, con lo scopo di identificare sorgenti localizzate e di studiare l’emissione diffusa.
2. Comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento di particolari corpi celesti, come AGN, Blazar, Pulsar, SNR e stelle binarie.
3. Studio del comportamento dei Gamma-Ray Burst per stabilirne l’origine.
4. Analisi spettrale dei fotoni rivelati al fine di identificare eventuali fotoni prodotti da annichilazione di materia oscura.
5. Osservazione e studio dei “solar flares”.
Esperimento GLAST: la strumentazione
GBM (Glast Burst Monitor)Studio dei GRB nel range energetico:
1keV-30 MeV
LAT (Large Area Telescope)Range energetico: 20 MeV÷300 GeV
GLASTGamma-ray
LargeArea
SpaceTelescope
(Messa in orbita: Ottobre 2007)(Presa datI: minimo 5 anni)
Principio di funzionamento del LAT
Produzione di coppie: e+ e-
Tracciatore (TKR): 36 piani di rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD) alternati a fogli convertitori di tungsteno per convertire i in coppie e+ e-.
Calorimetro (CAL): 96 barre di cristalli di CsI drogato con Tl per la misura dell’energia associata alle
coppie e+ e- prodotte.
Rivelatore di anticoincidenza (ACD): schermo di 145 barre di scintillatori plastici segmentati per il rigetto dei raggi cosmici carichi.
Calorimetro
Sistema di anticoincidenza (ACD)
Grid
DAQElettronica
Tracciatore
Struttura del LAT
Struttura modulare: Matrice 4x4 di torri
identiche
Struttura del TKR
» Ciascuna torre del TKR è costituita da 19 moduli (tray) Top: unico tray privo dello
strato superiore di SSD
Standard: 11 tray, di spessore pari a 0.03 X0
con strato convertitore spesso 105 m
Super-Glast: 4 tray , di spessore pari a 0.18 X0
con strato convertitore spesso 630 m
Standard senza convertitore: 2 tray
Bottom: unico tray privo dello strato inferiore di SSDIl tray ha uno spessore di 3 cm: è costituito
da un pannello a nido d’ape in alluminio inserito tra due fogli sottili in fibra di carbonio 4 cornici in carbon-carbon lungo i lati
I rivelatori a silicio di GLAST
Dimensioni 8.95 x 8.95 cm2
Spessore 400 m
Numero strip 384
Passo strip 228 m
Tensione di svuotamento < 120 V
Tensione di breakdown > 175 V
Percentuale strip non funzionanti: < 0.2 %
LadderWafer di silicio Piano di SSD
4 file di ladder
matrice 4x4 wafer
1536 strip per piano
Corrente di leakage per strip < 1.5 nA
Capacità di svuotamento ~7.5 pF
L’elettronica di front-end
ZdI
Zf
Cc
Zfs
gm gms
Vout
Detector Preamplificatore Shaper
Rd (Resistenza di ingresso)
200 G
Cd (Capacità di ingresso)
47 pF
Cc (capacità di disaccoppiamento)
1.5 pF
Rf (Resistenza di feedback)
10 G
Cf (Capacità di feedback)
9.2 pF
gm(Transconduttanza Transistor)
7∙10-4 S
Rfs (Resistenza di feedback shaper)
100 M
Cfs (Capacità di feedback shaper)
9 pF
gms (Transconduttanza transistor shaper)
7∙10-4 S
DISCRIMINATORE
Studio della dipendenza del noise dalla temperatura
In fase di volo tra i diversi piani delle torri esisterà un gradiente di temperatura
Una eventuale dipendenza del noise dalla temperatura comporterebbe diversi valori di noise nei differenti piani della torre
Ciò ha importanti conseguenze nella scelta del valore di soglia dei discriminatori associati a ciascun canale di lettura degli SSD
Motivazioni
Analisi delle sorgenti di noise
Sorgenti di noise
Corrente di buio (o corrente di “leakage”)
SHOT NOISE
Noise associato alla resistenza di biasNOISE TERMICO
Noise associato alla resistenza di feedback
NOISE TERMICO
Noise dell’amplificatore Associato
NOISE TERMICO + NOISE1/f
T
1
T
1
2k
EexpTIe2TIe2i
0
b
2
00ll
2nd T
T
bnb R
kTi 42
fnf R
kTi 42
f
A
g
kT
f
AVV f
m
fnawna 7.222
Tensione di rumore2vrmsV
20
2
222
12222 d
GVGiii nanfnbndv
Circuito equivalente di noise
ind Zd inb
Vnainf
Zf
- +
V preampl.
KT
eVE
T
T
k
E
T
TcTbA
b
bv
293
2.1
12
exp1
0
0
2
0
fCmVG 115
nATI l 5.10
KT 2930
I risultati della simulazione
I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT
TEM
Cold Plate
TOWER
Grid Ring
Tower Stand
IGS
Cicli termici
Test effettuati
TrckerGTRCConfiguration
TkrGTFECheck
TkrReadingConfigurationTest
TkrNoiseAndGain
TkrNoiseOccupancy
TkrTotTest
Test di verifica delle operazioni di trasmissione dati dai 64 chip dell’elettronica di lettura delle 1536 strip di ogni piano di SSD alla TEM
Test di verifica sul corretto funzionamento della configurazione di lettura di ciascun layer
Test effettuato allo scopo di trovare eventuali canali disconnessi misurando il guadagno ed il noise di ciascun canale
Test con lo scopo di cercare eventuali canali rumorosi
Test di Calibrazione del TOT (Time Over Threshold)
Misure di guadagno e di noise
V1 V2
Presentazione dei risultati sperimentali
0
0
q
VG
35.212 VV
v
eGENC v
Distribuzione di guadagno e noise sulle strip
Per il guadagno si osserva un andamento discontinuo con fluttuazioni tra i diversi chip di lettura (GTFE)
Per il noise, le fluttuazioni sono di entità minore
Distribuzione di guadagno e di noise sull’intera torre
Guadagno medio: ≈ 100 mV/fC
Fluttuazioni attorno alla media:
≈ ±10%
Noise medio: ≈ 1500 ENC
Fluttuazioni attornoalla media:
≈ ±13%
Studio dell’andamento della
temperatura, del guadagno e del
noise in funzione del tempo per i 35 run analizzati
Si osserva una correlazione
Studio del guadagno in funzione della temperatura
In un intervallo di temperatura di ~60 K il guadagno varia di circa 5mV/fC, che corrisponde ad una variazione dello 0.1% per grado.
E’ lecito trascurare la variazione del guadagno in funzione della temperatura ed assumere un guadagno medio dell’ordine del centinaio di mV/fC costante con la temperatura.
Esiste una dipendenza del noise dalla temperatura
Studio del noise in funzione della temperatura
0
2
0
12
exp.T
T
k
E
T
TcAleakageContr b
TbAtermicoContr .
AfContr 1.
0
2
0
12
exp1T
T
k
E
T
TcTbATotale b
Dati sperimentali
Barre di errore sulla temperatura fino a 10 gradi nelle fasi transienti
Andamento del noise medio in funzione della temperatura per i piani superiori ed inferiori della torre
0
2
0
12
exp1T
T
k
E
T
TcTbA b
Conclusioni
Il guadagno dipende debolmente dalla temperatura con una variazione dello 0.1 % per grado Kelvin
Il noise mostra una dipendenza dalla temperatura in accordo con il modello teorico utilizzato per descrivere l’elettronica di lettura degli SSD del LAT
Si può assumere un guadagno costante al variare della temperatura approssimabile con un valore di ~ 100 mV/fC
Le fluttuazioni del noise sono dell’ordine del 10% su un intervallo di temperatura di 60 K