I Silicon Photomultipliers come sistema di lettura per

calorimetri shashlik

Alessandro Berra

Relazione di fine anno di dottorato

XXIV Ciclo

Outline I Silicon Photomultipliers

Funzionamento, vantaggi e problemi

Il calorimetro «Jack» Simulazione

Test a bassa e alta energia

Simulazione completa con fenomeni ottici

I nuovi test di ottobre Lettura a 36 canali

Amplificatori a larga banda

Scheda di amplificazione con ASIC Maroc

Conclusioni

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I Silicon Photomultipliers Detector al silicio composti da

una matrice di pixel connessi ad un output comune Ogni pixel può essere

considerato come un diodo alimentato ad una tensione oltre quella di breakdown

Quando un fotone colpisce un pixel si forma una scarica in maniera simile ad un contatore Geiger Ogni pixel è sostanzialmente un

contatore binario (SPAD)

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La risposta analogica all’intensità del segnale è ottenuta (per flussi non troppo intensi) considerando il numero di pixel accesi

SiPM VS …

… Fotomoltiplicatori: Basso voltaggio di bias (∼50V)

Compattezza (∼mm2)

Operativi in campi magnetici

Readout semplice

… APD Maggiore gain (~106 contro ~102)

Non necessitano di particolare elettronica

Ottime risoluzioni temporali (∼100ps)

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SVANTAGGI Dark noise (dipendente da T)

Danni da radiazione

I SiPM: applicazioni

Fisica delle alte energie CMS ha già sostituito parte degli

HPD del HCAL con dei SiPM e pianifica un’altra sostituzione nello shutdown fra 2 anni

La maggior parte dei calorimetri studiati per ILC fanno uso di SiPM

Fisica medica Nuove PET-TOF ad alta risoluzione

(sfruttano la velocità di risposta dei SiPM)

Nuove PET-NMR per immagini funzionali e di densità dei tessuti (operatività in campi magnetici)

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SiPM: FBK-irst Dimensione:

3x3 e 4x4 mm2 , montati su PCB Circolari con diametro ∼1 mm

Breakdown voltage: ∼31V Overvoltage range: ∼5V Numero di pixel:

3600 e 6400 per i 3x3 e 4x4 mm2 688 per i circolari

Pixel area: 50x50μm2 per i 3x3 e 4x4 mm2

40x40μm2 per i circolari

Gain: ∼106

QE: >90% (380-530nm) PDE: ∼ 30-35%

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G.Collazzuol et al., Nucl. Instr. and Meth.

in Phys. Res. A 581, 461-464 (2007)

Ref.

Il Calorimetro Shashlik: Jack

Assemblato dalla sezione di Trieste

Area 11.5x11.5 cm2, 70 tile di scintillatore plastico (spessore 4 mm) e 69 tile di piombo spesse (1.5 mm)

Totale di 19 lunghezze di radiazione (X0)

144 fibre WLS da 1.2mm di diametro, raccolte in gruppi di 9 per un totale di 16 canali, letti da SiPM 3x3 mm2 FBK-irst NON AMPLIFICATI

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Il Calorimetro Shashlik: Jack

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Le tile di scintillatore non sono avvolte in

Tyvek/Alluminio

Simulazione in Geant 4

Simulazione completa della linea di fascio

Attivazione dei processi EM e adronici usando la lista QGSP_BERTINI

NB: nessun modello implementato per valutare l’efficienza di raccolta luce!

9

Simulazione in Geant 4

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Elemento base

Inserimento dei fori

Replicazione della

struttura

Risoluzione e Linearità – Bassa energia

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Elettroni di bassa

energia

Fit alla risoluzione P0⊕P1/√E

Ottima linearità

P0= Termine costante: domina ad alte energie e dipende dalla geometria del calorimetro (leakage)

P1= Termine stocastico: dipende dalle fluttuazioni statistiche nel deposito di energia e va come √E

Risoluzione Bassa Energia

Alta Emergia

Costante 1.19% 1.34%

Stocastico 7.05% 6.59%

Fotoni di alta energia

Risoluzione e Linearità – Alta energia

Differenze dovute al maggiore leakage

ad alta energia

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Scan in posizione & leakage

Deposito sostanzialmente uniforme di energia nella

parte centrale del calorimetro

Inefficienze dovuti ai buchi nelle tile di scintillatore

Fascio di elettroni uniformemente distribuito

Test Calorimetro – Setup elettroni

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Cherenkov

Calorimetro

Strip Detectors

Scintillatore di trigger

Cherenkov per selezionare gli elettroni

Strip detector per il tracking (σ≃30 μm)

Calorimetro in fase di test

Linea T9, PS East Hall

Energia fino a 7 GeV

Frazione di elettroni: ∼60-80% a 1 GeV/c fino a <10% a 5 GeV/c

Picco delle MIP

Picco degli elettroni usando

il Cherenkov

mean

sigmaerisoluzion

Energia depositata – Cherenkov Tag

Test Calorimetro - Procedura

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Equalizzazione overvoltage: Uso di 4 power supply

Equalizzazione risposta: Run usando le MIP

Scan in energia selezionando gli elettroni

Risoluzione spaziale: Divisione dei canali in 4 «piani» x-y

Calcolo del baricentro attraverso la procedura in «Awes et. al., NIM A 311, 130»

Calcolo della risoluzione col metodo dei residui rispetto alle strip chambers

i

ii

calcw

xwX

tot

ii

E

EwMaxw ln,0 0

Risultati – Risoluzione e Linearità

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Risoluzione SiPM 40 μA SiPM 30 μA SiPM 20 μA SiPM 10 μA

Costante 4.0% 5.0% 5.0% 4.6%

Stocastico 11.5% 10.5% 9.7% 12.1%

Noise 14.2% 13.5% 14.9% 12.1%

P2= Termine di noise: domina a basse energie ed è dovuto principalmente al rumore dell’elettronica e della catena di acquisizione e va come 1/E

Risultati – Risoluzione Spaziale

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1 GeV 2 GeV 3 GeV 4 GeV 5 GeV 6 GeV 7 GeV

Risoluzione X 0.66 0.41 0.32 0.28 0.25 0.23 0.21

Risoluzione Y 0.70 0.47 0.36 0.33 0.30 0.29 0.28

Test ad Alta Energia Fascio di fotoni taggati @CERN SPS H4 line Fotoni ottenuti tramite channeling di positroni in cristalli

curvati Energia fotone ottenuta misurando l’energia del positrone

uscente con un metodo spettrometrico

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http://insulab.dfm.uninsubria.it

Risultati

19

Calibrazione del calorimetro Divisione del plot in slice per costruire un plot di linearità

Risultati – Risoluzione e Linearità

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Effetto di saturazione ad alta energia

Linearizzazione della risposta tramite fit con polinomio di 4°

grado

Risultati – Risoluzione e Linearità

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NB: in questa configurazione il termine di noise contiene al suo interno anche gli effetti dovuti alla risoluzione energetica dello spettrometro

Termine costante compatibile

Nonostante la linearizzazione alto termine stocastico

e di noise

Risultati – Risoluzione e Linearità

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A bassa energia ottima linearità (come con elettroni)

Conferma di termine stocastico dell’ordine di ∼11%/√E

Problema

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Disaccordo dati-simulazione (alto

termine stocastico)

Colpa dei SiPM o colpa del

calorimetro?

Crediamo che il problema sia nel calorimetro, in particolare nelle tile di scintillatore non ricoperte

con materiale riflettente

Nuova simulazione in Geant 4 Simulazione completa della propagazione della luce all’interno di

scintillatore e fibre WLS usando il pacchetto di fisica ottica presente in Geant4

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ESEMPIO Rifrazione plastica-aria

di un fotone ottico

Prima fase: assegnazione degli indici di rifrazione a tutti i materiali dielettrici (scintillatore, materiale delle fibre WLS, aria…)

Fotoni ottici trattati come normali particelle che si propagano secondo le leggi dell’ottica geometrica

Materiali metallici

Cosa succede se il materiale non è dielettrico?

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Il fotone viene assorbito…

…a meno di non definire una superficie

riflettente!

Superficie riflettente

Problema non banale: assenza di copertura riflettente ma: Sottile intercapedine di aria fra le tile (difficilmente valutabile in

spessore) con possibilità di riflessione totale per certi angoli

Tile di piombo zincate, quindi parzialmente riflettenti

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Definizione di una «Skin Surface»: riflettività

espressa in termini di coefficiente fra 0 e 1

Ad ogni interazione con la superficie il fotone ha una certa probabilità di venire

riflesso Riflettività=0.62

Processi di scintillazione

Gestione completa dei processi di scintillazione: Yield (numero di fotoni generati per keV depositati)

Tempo di emissione caratteristico (componente fast e slow)

Attenuazione della luce nel mezzo

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Elettrone ∼100 keV

Ottenuti da datasheet

Processi di WLShifting

Definizione di alcuni materiali come «shifter»: Coefficienti di assorbimento ed emissione a diverse lunghezze d’onda

Creazione di fibre WLS multi-clad sfruttando le leggi delle riflessione

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CORE (Polistirene) CLADDING 1 (PMMA)

CLADDING 2 (Fluoruro-PMMA)

«Contare» i fotoni

«Sensitive detectors»: corrispettivo dei SiPM nella simulazione, oggetti che contano il numero di fotoni che li colpiscono

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Un «SiPM» per ogni fibra

Schermature per fotoni da

altre fibre

Simulazione completa Tile replicate Inserimento delle fibre WLS Sensitive detectors per contare i fotoni e relativi shield Case esterno di alluminio

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Effetto di un elettrone di 1 GeV…

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Milioni di fotoni ottici da

simulare

Simulazione estremamente

CPU consuming

LENTA!

Analisi - Simulazione ottica

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Somma di tutti i fotoni per il deposito di energia totale Divisione delle fibre nei «cluster» reali in modo da applicare l’algoritmo di

ricostruzione in posizione Applicazione nell’analisi off-line di un termine di noise

Al numero di fotoni per ogni fibra viene sommato un numero fisso di fotoni moltiplicato per un numero casuale compreso fra -1 e 1

Risultati – Simulazione ottica

33

Conservata la linearità Il termine stocastico e di noise

sono più simili ai dati!

Risultati – Simulazione ottica

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Risoluzione Simulazione Simulazione Fotoni R=0.62

Dati

Costante 1.2% 2.8% 4.0%

Stocastico 7.0 % 14.0% 11.5%

Noise 0 10.7% 14.2%

Risoluzione energetica e in posizione comparabili

Cosa ci dice la simulazione?

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Basso coefficiente di riflessione: gran

parte della luce viene dispersa

Rivestire le tile di scintillatore con

materiale riflettente (Tyvek,

alluminio)

Termine di noise dovuto alla catena

di elettronica elevato

Amplificare il segnale dei SiPM e

possibilmente limitare la

lunghezza dei cavi di segnale

Prima prova: Jack modificato

Nuovo testbeam (ultimato ad inizio novembre)

36 canali di lettura: fibre raccolte in gruppi di 4

SiPM 4x4 mm2 amplificati

36

Jack modificato SiPM 4x4 realizzati dalla FBK-irst

6400 celle

Elevato range dinamico

Amplificatori realizzati dal gruppo FACTOR di Trieste

Elevata banda passante

Fattore di guadagno 8x

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Elevato consumo (∼50 Watt totali per 36 canali) Tendono a scaldare i SiPM

Necessari comunque i cavi di ritardo (in questo caso 36) per portare i segnali con il giusto timing agli ADC Raccolta di noise e dipendenza dalla

qualità dei cavi

PROBLEMI

Risultati – Jack 36 canali

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Deviazioni dalla linearità Strano comportamento della

risoluzione

Drift delle correnti

39

Drift della posizione del

picco degli elettroni e delle MIP

∆I = 400 nA

∆T = 0.5 °C Doppio picco dovuto alla saturazione

dell’amplificatore

Drift delle correnti

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Sistema di cooling

(improvvisato…)

Limita ma non risolve il problema della

temperatura (specialmente le

variazioni giorno-notte)

Risultati – Jack 36 canali

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Meno corrente per eliminare la saturazione dell’amplificatore

La presenza del ventilatore stabilizza leggermente la temperatura Problemi ancora nei run lunghi nella notte

Risultati inferiori alle attese anche in termini di risoluzione

Seconda prova: Willie + MAROC

Tile spesse 3.27 mm e con area di 8x8cm2 41 tile di scintillatore plastico e 40 tile di piombo per un totale di 24

lunghezze di radiazione (X0)

Readout tramite 64 fibre WLS da 0.8mm di diametro, raccolte in gruppi di 4 per un totale di 16 canali

SiPM circolari di diametro ∼1 mm 42

La MAROC board

43

ASIC con uscite analogiche e digitali

Amplificatore con gain regolabile (tramite le FPGA)

2 ADC: uno integrato ed uno esterno sulla board

VANTAGGI Segnale amplificato

Cavi di ritardo non più necessari

Risultati – Willie + MAROC

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Conclusioni Proseguiti gli studi sui SiPM applicati a calorimetri

shashlik in termini di: Linearità Risoluzione energetica Risoluzione spaziale

Sviluppata una simulazione in Geant4 in grado di descrivere la propagazione della luce nelle tile

Per il futuro: Modifiche hardware a Jack con rivestimento riflettivo

delle tile di scintillatore Circuito di monitoring e correzione delle correnti

assorbite in modo da seguire i cambiamenti di temperatura

Applicazione dei SiPM alla lettura di fibre borate per realizzare un dosimetro di neutroni

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46

BACKUP SLIDES

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Timing

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Serve tempo per formare il segnale di trigger e per far partire il gate dell’ADC

Con il MAROC si sfrutta il tempo di shaping del segnale e la posizione dell’hold per campionare il segnale sul picco, senza bisogno di ritardare il segnale in ingresso

TWICE

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Sviluppo di SiPM a tecnologia avanzata di grande superficie (∼3x3 cm2)

Aumento dell’efficienza nella regione 300-400 nm

Sviluppo di ASIC di front-end per la lettura dei SiPM

Applicazione dei SiPM alla calorimetria e in generale alla lettura di scintillatori in fisica delle alte energie e dello spazio

Sezioni INFN Trieste

Udine

Milano Bicocca

Roma 1

Messina

Lecce

Techniques for Wide-range Instrumentation for Calorimetry Experiments

FACTOR Fiber Apparatus for

Calorimetry and Tracking with Optoelectronic

Readout