Cosa c’e’ dopo il rivelatore?come si trattano i segnali in uscita?

• uscita di un PMT breve impulso di corrente• generalmente viene trasformato in tensione• di solito necessita di amplificazione• funzione principale di un amplificatore è la

trasformazione del segnale in output da un rivelatore in un segnale di ampiezza maggiore e pronto per essere elaborato

segnale in uscita da un rivelatore

10 %

90 %

pulse height

pulse width

risetime baseline

tipico segnale analogicoinformazioni contenute nella forma dell’impulsonell’ampiezza, nel tempo rispetto ad altri segnali

scale temporali tipiche ns ms

a parte il G-M i rivelatori generalmente producono segnali molto piccoli

carica liberata da una mip ~ 10-15 C (femtoCoulomb)pari a circa 10000 elettroni 300 keV in gas

tipicamente si produce un impulso di tensione di circa 1 mVolt

necessario un preamplificatore vicino all’uscitadel detector

tendenza attuale a integrare preamplificatore, amplificatore, convertitore … nell’elettronica di front-end VLSI

Catena logica di rivelazione

• detector (PMT): converte l’energia depositata dalla particella in carica elettrica.• preamplificatore : converte il segnale di carica

(o di corrente) in un segnale di tensione introducendo poco rumore• discriminatore /comparatore • amplificatore – formatore : deve “sagomare” opportunamente il segnale per evitare

sovrapposizioni di impulsi• elaborazione: immagazzinamento del segnale analogico + successiva conversione

dell’altezza di impulso e delle informazioni temporali in un numero (conversione analogico – digitale ADC e conversione tempo – digitale TDC)

• E’ una combinazione di componenti elettronici e informatici che forniscono un segnale veloce qualora si verifichi un evento interessante.

• Le condizioni possono essere piu’ o meno complicate: identificazione di una particella carica che passa attraverso alcuni contatori a scintillazione entro un certo intervallo di tempo.

• Un efficiente sistema di trigger e’ fondamentale per evitare che un rivelatore registri anche eventi non interessanti come, per es. eventi di fondo.

Che cos’e’ il trigger?

Il PMT è un dispositivo con una risposta temporale molto rapida, per ottimizzare la quale vengono studiate le caratteristiche geometriche della finestra di ingresso, della disposizione dei dinodi.

Inoltre la risposta temporale migliora con il quadrato della tensione di alimentazione

ALCUNE DEFINIZIONI

ESEMPIO DI IMPULSO DI USCITA

Transit time = intervallo di tempo tra l’arrivo di un impulso luminoso sul catodo e il corrispondente impulso di corrente sull’anodo (≈ qualche decina di ns). TTS= transit time spread = rappresenta la fluttuazione del TT di ogni impulso di fotoelettrone, quando il fotocatodo è completamente illuminato (solitamente FWHM). (determina la risoluzione temporale del PMT) valori tipici del TT ~ 20-40 ns; del TTS < ns

Esempio di TTS

linearità del PMTcarica raccolta all’anodo proporzionale al numero di fotoni che hanno raggiunto il catodoATTENZIONE: la proporzionalità è vera solo in media

risoluzione temporaledurata segnale < 50 pstempo di transito varia da un impulso all’altrosi definisce il TTS (Transit Time Spread) come il RMS della distribuzione dei tempi di transito (valori tipici del TT ~ 20-40 ns; del TTS < ns)

tempo di salita 1 -2 ns

Principio di funzionamento :

• rivelazione della radiazione Cherenkov emessa da particelle relativistiche

• ricostruzione della traccia della particella

?????????

A cosa serve il PMT in astrofisica?

Un esempio:

il telescopio di neutrini

• particella carica in un mezzo con v > c/n

con n = indice di rifrazione del mezzo

c = velocità luce nel vuoto• emissione di fotoni nell’UV e nel visibile

• angolo di emissione c tale che :

Radiazione Cherenkov

Detection Principle

The neutrino is detected by the Cherenkov light emitted by the muon produced in the CC interaction.

1.2 TeV muon traversing the detector.

N X

W

Detector

1 km at 300 GeV

25 km at 1 PeV

5-10 m long

diameter ~ 10 cm

track cascade

Detection of cascades is also possible. In a km3 detector ντ identification will be possibleA very wide energy range can

be covered looking in different directions

Cosmic Ray spectrum

SNR origin Galactic origin (several theories)

GZK cut-off: end of the cosmic ray spectrum??

AGN, top-down

models?

?

Extra-galactic origin

1 particle per m2 per second. 1 particle per

m2 per year.1 particle per km2 per year.

We do see cosmic Rays accelerated at to very high energy

DetectorDetector

light cone detected by array of PMTs

High energy interact in the medium surrounding the detector

0.7o / E0.6 (TeV)

Muons produce Cerenkov light

DETECTION PRINCIPLEp

IceCube

IceTop air shower array80 pair of ice Cherenkov tanks

IceCube:80 strings with 60 optical modules17 m between optical madules125 m between strings1 km3. A 1-Gton detector

Presently installed:IceTop:4 + 12 stations16+48 OM)IceCube:1 + 8 strings(60+480 OMs)

AMANDA:19 strings, 677 OMs in totalø 200m, heigth 500m

Drilling

ICECUBE

2450 m

AMANDA

Drilling time

AMANDA’s string 19

Neutrino Telescopes in the World

ANTARES + NEMO+ NESTOR

→KM3NeT

NESTOR: Rigid Structures Forming TowersNESTOR: Rigid Structures Forming Towers

Tower based detector(titanium structures).

Dry connections(recover−connect−redeploy).

Up- and downward looking PMs. 3800 m deep. First floor (reduced size)

deployed & operated in 2003.

Plan: Tower(s) with12 floors→ 32 m diameter

→ 30 m between floors

→ 144 PMs per tower

The NEMO Project

Extensive site exploration(Capo Passero near Catania, depth 3500 m);

R&D towards km3: architecture, mechanical structures, readout, electronics, cables ...;

Simulation. Example: Flexible tower 16 arms per tower,

20 m arm length,arms 40 m apart;

64 PMs per tower; Underwater connections; Up- and downward-looking PMs.

Test site at 2000 m depth operational.

Funding ok. Completion expected by 2006.

Shore station

2.5 km e.o. Cable with double steel shield

21 km e.o. Cable with single steel shield

J BUJ

J

5 km e.o. cable

Geoseismic station SN-1 (INGV)

5 km e.o. cable

10 optical fibres standard ITU- T G-652 6 electrical conductors 4 mm2

NEMO Phase I

J.A. Aguilar ICRC, Pune, 2005J.A. Aguilar ICRC, Pune, 2005

The ANTARES detectorThe ANTARES detector

• 12 strings (900 PMTs)• 25 floors / string• 3 PMTs / floor

~60-75 m

350 m

100 m

14.5 m

Junction Box

40 km to shore

Buoy

Storey

Horizontal layout

It receives power from shore station and distributes it to the lines. Data and control signals are also transmitted via the JB.

ANTARES status

Line anchor

Buoy

OM

LED beacon

25 storeys + 1 BSS

Presently taking data from two lines in the water.• Full Line 1 and Mini-Instrumentation Line• + Junction Box, Electro-optical cable, Shore

Station, DAQ, Slow Control, calibration systems…

Line 1 deployment

February 2006 March 2006

(2.3) Principal Components: “Analog Ring Sampler” front-end digitizer

The Analog Ring Sampler (ARS) chip performs the complex front-end functions: ~$10/chip, 250mW

Constant 1GHz analog sampling of PMT Anode,

Anode/5, Dynode 11, and 20 MHz CLOCK signals

Dynamic Range 4V (~ 60spe)

Configurable pulse-shape discrimination to tag

complex shapes (“Waveform”) which will

be fully digitized.

For simple pulses (SPE-like) only Charge and Time

information is measured. t ~400 ps

2 x 8 bit ADCs working in ll to digitize events uponreadout request (trigger)

High speed (20Mb/s)

serial port transfers digitized events to

the central DAQ LCM

processor.

Data from ~2500 m below sea levelSite properties:

Example of data taking rate

Baseline

Bursts

Baseline evolution with time

Water current velocity evolution with time

Heading of the three MILOM storeys

Currents < 20 cm/s

~5 cm/s on average

Correlation with currents has been noticed

~120 kHz

Seasonal variations

~60 kHz

summerautumn

Data from ~2500 m below sea level

Spatial Calibration:

WF signal example.

Charge Calibration:

Distance from autonomous line (RxTx) to MILOM RxTx, evolution with time.

175 m

96 m

Evolution with time of the normalized charge.

Data from ~2500 m below sea level

Internal LED t evolution with time

MILOM LEDbeacon

Storey

Time Calibration:

OM signal – beacon PMT time difference for each OM.

The rate measured of these coincidences is ~13 Hz (in agreement with the estimations).

40K coincidences between OMs.

First (downgoing) muons detected

Complementarity