INFN - P R O G R A M M A D I R I C E R C A · 2001. 8. 1. · CLIC-MI 5 Alberto Pullia MILANO...

Ricercatoreresponsabile locale:

MILANO

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno 2002

Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

Elettronica a basso rumore per camere a ionizzazione e fotorivelatori

GSI Darmstadt, Germania - Laboratori Nazionali del Sud, Catania

Sincrotrone SIS (Darmstadt) - Tandem 16MV + ciclotrone superconduttore (Catania)

Ioni C, Au da 100 A MeV a 1 A GeV C, Ni da 20 A MeV a 60 A MeV

Reazioni tra ioni pesanti

Strumentazione da laboratorio

Milano

GSI Darmstadt, Germania(vedi lettera allegata - file CLIC_GSI.pdf)

3 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2002

2003

2004

Studio e realizzazione di architetture circuitali a basso rumore e rapido tempo di discesaper il preamplificatore di carica dedicato alle misure di energia. Caratterizzazione completadei prototipi e prove spettroscopiche (X e gamma). Studio dei setup a partizione resistiva,capacitiva o a linea di ritardo per le misure posizionali in camere a ionizzazione o infotorivelatori multielemento.Realizzazione e caratterizzazione di setup a partizione di carica per le misure posizionali"a due punti" in camere a ionizzazione e in rivelatori a stato solido multielemento. Prove difunzionamento su fascio con rivelatori di tipo MWPC presso il GSI di Darmstadt. Progettocompleto di versioni ottimizzate dei preamplificatori e studio sulla funzione peso del filtroottimo.Realizzazione e caratterizzazione di filtri misti analogico-digitali ottimi basati su varietecniche di filtraggio e destinati alle misure di energia e di posizione per varie tipologie dirivelatori di radiazioni e vari contesti applicativi. Le diverse funzioni peso saranno dettatedal calcolo del filtro ottimo per misure di ampiezza o di "zero crossing" per il tempo dioccorrenza.

Nuovo Esperimento GruppoCLIC-MI 5

Alberto Pullia

MILANO

AssociatoAlberto Pullia

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2002In kEuro

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

MILANO



Struttura


Resp. loc.: Alberto Pullia

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Elettrometro Keithley mod. 6517A

Riunioni di lavoro per discussione e confronto sulle tematiche diinteresse

Licenza Matlab con relativi toolboxes

Installazione e prove presso il GSI di Darmstadt (D). Riunioni di lavoro

Note:

del progetto

Bromografo a doppia esposizione per sviluppo layout e sistema

Piastre di duroid, teflon, vetronite; cloruro ferrico;

per discussione e confronto con laboratori di ricerca impegnati sugli

a vasche preriscaldate per incisione layout

materiale di consumo vario per fabbricazione piastre;

stessi temi

realizzazione di PC board multilivello; componenti elettronici

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

4,0

13,0

1,5

5,5

10,0

15,0

32,0

1,5

2,0

5,5

6,0

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

MILANO



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



MILANO

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,5 5,5 10,0 15,0 32,0

TOTALI 16,5 31,0 35,5 88,5

ANNIFINANZIARI

2002

5,5

2,0 5,5 13,0 11,0 31,520032,0 5,5 8,0 9,5 25,02004

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa

(a cura del rappresentante nazionale)



MILANO

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,5 5,5 10,0 15,0 32,0

TOTALI 5,5 16,5 31,0 35,5 88,5

ANNIFINANZIARI

2002

2,0 5,5 13,0 11,0 31,52003

2,0 5,5 8,0 9,5 25,02004


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

VEDI RELAZIONE ALLEGATA (file CLIC-MI_1.pdf)



MILANO

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO



MILANO

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 2

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori

Codice EsperimentoCLIC-MI

Gruppo

MILANO

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

5,0

1,3Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei Tecnologi 1,0

0,2Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 2,0

0,4Tecnici Full Time Equivalent

Bertuccio Giuseppe 205P.A.1

Casiraghi Roberto 205Dott.2

Gatti Emilio 205P.O.3

Iori Ileana 203P.O.4

Pullia Alberto 505P.A.5

Brambilla Sergio Tecn 201

Bassini Roberto Cter 201

Boiano Ciro Cter 202

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

MILANO

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7a

Denominazione

Cognome e Nome Associazione

LAUREANDI e DOTTORANDI operanti nel gruppo a giugno 2001

SI

Titolo della Tesi

mesi-uomo

Relatore/Tutore Keywords

Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in


Gruppo

MILANO

5



Struttura

Cognome e Nome

LAUREATI e DOTTORI di RICERCA che hanno conseguito il titolo tra luglio 2000 egiugno 2001

(a cura del responsabile locale)Mod. EC 8

(*) TD = tempo determinato TI = tempo indeterminato

SI

Keywords Altro

Ass.INFN

in

Relatore


Titolo della tesi:

Titolo conseguito Sbocco occupazionale (*)

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

SI

Keywords Altro

in

Titolo della tesi:

KEYWORDS Keywords attività locale (a cura del responsabile locale)

Keywords attività complessiva dell'esperimento (a cura del responsabile nazionale)


Gruppo

MILANO

5



Struttura

DENOMINAZIONE DESCRIZIONE PRODOTTO O COMMESSA

INTERAZIONI CON LE INDUSTRIE (COMMESSE HIGH TECH)

(a cura del responsabile locale)Mod. EC 9

commessasviluppo

commessa = acquisto di beni ad alta tecnologia

Percentuale del budget( app+ inv+cons)utilizzata per acquistodi beni high tech:

SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre disciplineSviluppo nel campo

Breve descrizionedello sviluppo e

relativa ricaduta:

Ricaduta potenziale gia' riscontrata

campo:

commessasviluppo

campo:

commessasviluppo

campo:

commessasviluppo

campo:

commessasviluppo

campo:

commessasviluppo

campo:

PAESE

in ambito:

Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:

Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:

Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

%


sviluppo = se l'INFN partecipa allo sviluppo dei beni acquistati

PRESENTAZIONI A CONFERENZE, WORKSHOP E SEMINARIINTERNAZIONALI nel periodo luglio 2000 giugno 2001


Gruppo

MILANO

5



Struttura

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC 10

Relatore Tipo di presentazione Denominazione della Conferenza o dell'istituzione

Titolo della presentazione o del seminario LocalitàData

%Percentuale di presentazioni INFN su presentazioni complessive della collaborazione:

Resp. Naz.: Alberto Pullia

Tipo di Conferenza


Gruppo

MILANO

5



Struttura

Data prevista peril completamento

MILESTONES 2001 (concordate con i referee)

Descrizione

Commento al conseguimento delle milestones

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC/EN 11

Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2002

Realizzazione di prototipi di preamplificatori di carica a basso rumore e rapido tempo di discesa,caratterizzazione e prove spettroscopiche.

Studio comparativo dei possibili setup per le misure baricentriche in camere a ionizzazione, analisi dirumore e simulazioni.

Ideazione e realizzazione di preamplificatori ottimizzati per tali setup e provesperimentali.

Descrizione

livello raggiuntoalla data previstain %

%

%

%

%

%

%

%

%

Resp. Naz.: Alberto Pullia

%

%


Gruppo

MILANO

5



Struttura

Cognome e Nome

REFEREES DEL PROGETTOArgomento

Cognome e Nome

LEADERSHIPS INFN NEL PROGETTO(solo per collaborazioni internazionali o inter Enti)

Funzioni svolte

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC/EN 11a

Percentuale posizioni di leadership INFN su numero totale posizioni

Percentuale partecipanti INFN su partecipanti totali

Struttura

Elenco delle pubblicazioni più significative nel periodo luglio 2000giugno 2001

Percentuale budget INFN su budget totale

%

%%

Resp.Naz.: Alberto Pullia

Nome primo autore Titolo della pubblicazione

Rivista Numero Pagine Data

COMPETITIVITA’ INTERNAZIONALEEsperimenti in competizione

Comitati internaz. che vagliano l'esperimento:

Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.

Costruz.apparati TOTALE

Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

CLIC-MI 5 Alberto Pullia MILANO nuovonuovo_continua

Ricercatori 5,0

1,3FTE

Personale

Tecnologi 1,0

0,2FTE

Tecnici 2,0

0,4FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,26 0,25

1.5 5.5 10 15 32CLIC-MI

di cui sj

1.5 5.5 10 15 32

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 21,33

1.5 5.5 10 15 32Totali

di cui sj

Mod. EC4 dati

1,5 5,5 10,0 15,0 32,0Totali-Dati EC4

TOTALI

Confronto con il modello EC4

Ricercatori 5,0

1,3FTE

Personale

Tecnologi 1,0

0,2FTE

Tecnici 2,0

0,4FTEServizi mesi uomo

0,26 0,25Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 21,33

PROGETTO CLIC-MI(CIRCUITI "LOW-NOISE" PER "IONIZATION CHAMBERS")

INTRODUZIONE

L'esigenza di poter disporre di strumentazione elettronica a basso rumore perl'ampli ficazione-elaborazione dei segnali forniti dai rivelatori di radiazioni ionizzanti è diffusamentesentita nei laboratori di ricerca. Oltre ad essere di ovvio interesse per gli esperimenti in fisicafondamentale, l'anali si di tali radiazioni (fasci di ioni pesanti, elettroni, fotoni X e gamma) trovaapplicazioni in ambito biomedicale, archeometrico, ambientale ed esistono anche applicazioniindustriali per il monitoraggio delle scorie inquinanti. Gli apparati per la rivelazione delle particelleionizzanti includono il rivelatore (camere a ionizzazione allo stato gassoso o fotorivelatori allo statosolido) e l'elettronica di ampli ficazione, filt raggio e post-elaborazione. Di primaria importanza è lamisura dell 'energia delle particelle ionizzanti, ovvero della densità spaziale di energia persa per leparticelle al minimo di ionizzazione. Essa si traduce nella misura della carica liberata nel processo diionizzazione, ossia dell 'area dei segnali di corrente forniti dal rivelatore. In questo ambito è necessarioche il preampli ficatore venga ottimizzato per introdurre un contributo di rumore inferiore a quellodovuto al rivelatore stesso. Non meno importante è la misura della posizione spaziale di interazionedelle particelle nel rivelatore o della traiettoria da esse percorsa. Queste informazioni vengonotipicamente ricostruite con tecniche di misura di tempo di volo e/o di partizione di carica sui varielettrodi del rivelatore. In tale ambito si colloca l'imaging di strutture organiche in campo biomedicaleo la ricostruzione delle tracce percorse dalle particelle nelle esperienze di fisica nucleare esubnucleare. Naturalmente anche in questo caso per garantire una buona qualità delle misure ènecessaria una circuiteria elettronica a basso rumore e banda adeguata per la preampli ficazione, ilfilt raggio e la classificazione dei segnali . L'ottimizzazione delle misure si lega a una serie diproblematiche specifiche che non sempre vengono studiate approfonditamente e risolte in modoottimale. In alcuni casi le soluzioni circuitali e le tecniche di misura adottate non sono soddisfacentied appaiono nettamente migliorabili , sia in termini di prestazioni che di costi. Ad esempio ipreampli ficatori di carica per spettroscopia X e gamma possono essere ulteriormente perfezionati intermini di rapporto segnale rumore, potenza dissipata, forma e riproducibilit rà della rispostaimpulsiva, banda passante, come suggerito in alcuni lavori apparsi negli ultimi anni sulle rivistespeciali zzate [1-3]. Lo stesso vale per quanto attiene al filt raggio digitale dei segnali [4-8]. In questoprogetto ci si propone di fornire soluzioni ottimizzate sia per l'elettronica di front end che per quellapreposta al condizionamento dei segnali , negli ambiti applicativi menzionati. Particolare cura verràdedicata allo studio del setup ottimo per la misura della posizione di interazione nei rivelatori a statogassoso multi fil o, ove è utili zzabile la tecnica della partizione di carica e della "misura a due punti"del centroide della distribuzione di carica indotta sugli elettrodi del rivelatore.

IL PROGETTO CLIC-MI

Il progetto si propone di ideare e reali zzare circuiti di preamplificazione analogica a bassorumore e filtraggio digitale ottimo, tenendo in considerazione i problemi di "matching" con ilrivelatore e i vantaggi/svantaggi associati alle diverse tecniche di misura utili zzabili . Per quantoriguarda la misura dell 'energia, sono tipicamente richieste architetture circuitali che garantiscanobasso rumore, ridotto tempo di decadimento del segnale in uscita al preampli ficatore, elevata stabilit àe riproducibilit à della risposta impulsiva. In particolare i requisiti di basso rumore e ridotto tempo didecadimento del segnale sono diff icili da concili are. A questo riguardo verranno studiate soluzioni peril reset continuo della carica immagazzinata nella capacità di retroazione mediante resistenza"fredda" (dispositi vo con impedenza resistiva ma rumore inferiore al limit e termodinamico [9]). Ilpreampli ficatore va poi dimensionato per un accoppiamento impedenziale ottimo con l'elettrodo diuscita del rivelatore (qui fotorivelatori allo stato solido o camere a ionizzazione allo stato gassoso). E'opportuno sottolineare come per ottenere una prestazione ottimale sia utile individuarepreliminarmente la tecnica di misura più conveniente per il caso specifico (ad esempio è più adatto unpreampli ficatore di carica o di corrente?) ed intervenire di conseguenza sul setup richiesto per laimplementazione di tale tecnica di misura. Consideriamo, per esempio, la misura della coordinatatrasversale della traccia in una camera a ionizzazione. Essa può essere effettuata tramite un rivelatore

multi fil o di tipo MWPC (Multi -Wire Projection Chamber) con una tecnica di misura cosiddetta "a duepunti". Vengono cioè utili zzati solo due preampli ficatori collegati ai due fili più lontani e si misura lafrazione di carica che raggiunge ciascuno di detti due fili rispetto alla carica totale indotta su di essi.La differenza tra tali frazioni dipende strettamente dalla posizione del centroide di carica indotto suifili e consente quindi di ricostruire la posizione della traccia lungo la coordinata che uniscetrasversalmente i fili stessi. Per reali zzare la partizione di carica occorre collegare i fili t ra lorotramite resistenze, o condensatori o una linea di ritardo LC. Ma quale di questi setup è piùconveniente ? Ciascuna opzione presenta vantaggi e svantaggi, che vanno studiati e confrontati.Attualmente nel caso dei rivelatori allo stato gassoso viene comunemente utili zzata una partizioneresistiva tra filo e filo, ma tale scelta appare più una prassi che il frutto di argomentazioniconvincenti. Uno studio più approfondito su questo tema pare dunque essenziale per potere effettuarela scelta ottimale. L'ottimizzazione dell 'elettronica di front end rifletterà le conclusioni dello studio edipenderà dalla scelta adottata tra le tre menzionate opzioni. Questo stesso studio riguarderà anche leapplicazioni "imaging" che prevedono l'uso di rivelatori allo stato solido multielemento, segmentatilinearmente o a matrice. Anche in questi casi è infatti utili zzabile la tecnica di misura "a due punti"per ciascuna linea di elementi di rivelazione. Si pensi, a titolo di esempio, al caso di scintill atoriaccoppiati a una matrice di fotorivelatori per l'imaging di raggi gamma in applicazioni biomedicali[10,11].

Il progetto di ricerca prevede schematicamente i seguenti obiettivi:

1. Studio e reali zzazione di architetture circuitali i nnovative "low noise" per i preampli ficatoridi carica destinati alle misure di energia

2. Studio del "setup" ottimale per la divisione del segnale in tecniche di misura posizionale adue punti

3. Realizzazione di prototipi del setup a partizione capaciti va o resistiva ed analisi dei contributidi rumore

4. Comparazione tra configurazioni ottimizzate di ampli ficatori di corrente o di carica per lemisure di energia e di posizione

5. Studio sulla post-elaborazione ottimale dei segnali per misure di energia e di posizione6. Digitali zzazione dei segnali e implementazione di filt ri analogico-digitali ottimi a linea di

ritardo

La fase iniziale prevede uno studio delle prestazioni in termini di rumore elettronico di variearchitetture circuitali del preampli ficatore. Tali prestazioni dipendono largamente dal transistor diingresso, che va quindi accuratamente caratterizzato staticamente e dinamicamente a varietemperature di esercizio. Ciò consentirà di selezionare i migliori esemplari disponibili al fine diminimizzare il rumore dei preampli ficatori. In particolare risulterà necessario misurare la corrente diingresso del transistor, la cui intensità influisce sul rumore parallelo del circuito. Dato che nel caso ditransistori JFET o MOSFET tale corrente può essere inferiore al pA risulta necessario unelettrometro programmabile (Keithley mod. 6517A) particolarmente stabile e preciso, con sensoredi temperatura e generatore di tensione programmabile. Tale strumento risulterà alresì necessario permisurare la corrente di perdita del condensatore di disaccoppiamento posto all 'ingresso delpreampli ficatore, quando su di esso è applicata una tensione dell 'ordine del kV. Per quanto riguarda lareali zzazione dei preampli ficatori si prevede di ricorrere a una tecnologia a montaggio superficiale erisulta indispensabile provare diversi materiali di alta qualità (e basso rumore) quali il t eflon o ilDuroid, come substrati delle piastre. Pertanto si prevede che il numero delle versioni dei circuiti saràrelativamente elevato. E' quindi opportuno attrezzarsi per la produzione in casa ad attacco chimico deiprototipi di tali piastre. A questo scopo occorre un bromografo a doppia esposizione (Mega El.Mod. AZ210) per lo sviluppo del fotoresist sulle due facce delle piastre ed un sistema combinato avasche preriscaldate per l'incisione del layout. Sarà inoltre necessario acquistare le piastre di teflon,di Duroid o di vetronite rivestite in rame trattato su entrambe le facce, nonchè il cloruro ferrico perl'attacco chimico del rivestimento in rame, e il software per il disegno del layout dei circuiti . Siprevedono inoltre alcune reali zzazioni su scheda multili vello (>2), ad alta densità di componentiSMD per la miniaturizzazione dei preampli ficatori, che dovranno necessariamente esserecommissionate a ditte speciali zzate. Per quanto riguarda la parte di studio teorico delle varieconfigurazioni del preampli ficatore e del setup a partizione resistiva, capaciti va o a linea di ritardo, ein particolare, la simulazione della forma dei segnali e il calcolo dei contributi di rumore elettronico,sarà necessario dotarsi di li cenza per PC del tool matematico MATLAB 5.3 e dei vari toolboxes. Nel

corso di questa fase del progetto sarà necessario recarsi più volte presso il GSI di Darmstadt (D) epresso i laboratori di Catania per provare le prime versioni dei preampli ficatori, studiare le successiveversioni e i problemi inerenti i vari setup e tecniche di misura, caratterizzare i prototipi dei rivelatori eindividuare gli accoppiamenti ottimali tra rivelatore ed elettronica.

Nelle fasi successive si considererà la post-elaborazione del segnale. A questo proposito vasottolineato come una serie di vincoli l egati alla applicazione specifica possano influenzareconsiderevolmente le tecniche di filt raggio del segnale. Ad esempio, per elevate densità temporali dieventi, un tempo di formatura troppo lungo comporterebbe un inaccettabile "pileup" dei segnali . Inquesto caso la funzione peso del filt ro dovrà essere forzatamente tempo-limitata, riducendo così laprobabilit à che due eventi ravvicinati interferiscano l'uno con l'altro. Inoltre possono essere richiestealtre caratteristiche alla funzione peso del filt ro [12]. Come la presenza di un "flat top" ossia di untempo di integrazione a guadagno costante, utile per la reiezione del cosiddetto "deficit bali stico", cioèdell 'effetto associato ai diversi tempi di volo delle cariche nel rivelatore. O di una zona a derivatacostante, utile per la reiezione dell 'effetto bali stico nelle misure della posizione baricentrale deisegnali i ndotti. Tutte queste caratteristiche possono essere implementate mediante tecniche analogicheo digitali di filt raggio del segnale cosiddette "a linea di ritardo". Essendo oggi disponibili a bassoprezzo convertitori analogico-digitali (ADC) veloci (fino a 100 MHz), precisi (fino a 16 bit) edaff idabili nonchè tecnologie avanzate per la reali zzazione di circuiti digitali complessi [13,14], apparepiù stimolante perseguire la strada del filt raggio digitale. Occorrerà quindi dotarsi di una catena diacquisizione digitale della Target per esplorare possibilit à e limiti delle tecniche digitali offerteattualmente dai sistemi commerciali per spettroscopia. Per superare i limiti associati ai costi e alleprestazioni dei moduli commerciali si procederà poi al progetto di una catena ottimizzata per i casispecifici, e riproducibile a costi più contenuti, per le esperienze che prevedono molti canali dirivelazione. Ciascuna catena di filt raggio verrà reali zzata tramite logiche programmabili (FPGA) eprocessori digitali di impulsi (DSP). Sarà quindi necessario dotarsi del software Xilinx FoundationISE Express.per la programmazione e la simulazione delle FPGA Xili nx, nonchè di un sistema disviluppo C6201 EVM Bundle TMDS326006201.per l'utili zzo del DSP TMS320C6201 della TexasInstruments (DSP a 200 MHz, virgola fissa, 3.3 V). Sarà inoltre ovviamente necessario acquistarealcuni campioni di FPGA e DSP. La tecnica di filt raggio "a correlazione", alla cui classe appartiene lamaggior parte dei filt ri numerici a linea di ritardo, richiede tipicamente un segnale di trigger, perl'alli neamento temporale del filt ro numerico con l'evento [15]. Tale segnale di trigger vienenormalmente fornito da un ampli ficatore analogico a tempo di formatura molto stretto. Esso peròrisulta assai rumoroso, per via del tempo breve di formatura e tende quindi a falli re per eventi di bassaenergia, dove i segnali sono affogati nel rumore. Per superare questa diff icoltà verranno esplorate duediverse tecniche di filt raggio. La prima utili zza un algoritmo di moltipli cazione veloce tra daticampionati e coeff icienti del filt ro, basata su "look-up table". Questa tecnica dovrebbe consentire diimplementare il filt ro numerico (FIR) a media mobile in tempo reale, cioè fornire una intera mediapesata tra coeff icienti e dati ad ogni ciclo di campionamento. Basterebbe così fare un campionamentoal picco sul segnale digitale d'uscita per triggerare automaticamente l'evento. Si noti che in questosistema non sarebbe richiesto alcun segnale di trigger. La seconda è una tecnica di filt raggio mista incui una catena costituita da un ADC, una memoria FIFO (First In First Out), uno o più convertitorianalogico-digitali (DAC), svolgerebbe le medesime funzioni di una linea di ritardo analogica asingolo o multiplo punto di estrazione. Un normale filt ro a linea di ritardo sarebbe quindiimmediatamente reali zzabile combinando opportunamente i vari segnali analogici disponibili [16,17].Essendo l'uscita così costruita di natura analogica, si potrebbe poi stabili zzare la linea di base con leassestate tecniche circuitali tempo varianti di "dc restoration" [18-21]. Il filt ro risulterebbe molto piùcompatto e stabile termicamente rispetto alla reali zzazione con linea di ritardo analogica. Vale lapena notare che queste ultime due tecniche eliminerebbero, rispettivamente, il DSP, o il binomioDSP-FPGA. Il "prezzo" da pagare per queste sempli ficazioni dell 'apparato consiste in una minorflessibilit à nella possibilit à di programmare e ottimizzare il profilo della funzione peso del filt ro. Unasimulazione numerica riferita a casi reali stici consentirà di quantificare tali svantaggi. Laimplementazione delle tecniche di filt raggio menzionate richiede l'acquisto di diversi esemplari diADC, DAC, memorie, componenti elettronici vari e la progettazione e realizzazione di alcuneschede. Per provare ed effettuare il debug dei circuiti digitali reali zzati sarà necessario acquistare unanalizzatore di stati logici, che sarà intensivamente utilizzato in queste fasi del progetto.

Il progetto verrà sviluppato autonomamente ma ci saranno frequenti contatti con altreUniversità e enti di ricerca (Politecnico di Milano, GSI Darmastadt, Laboratori di Catania, BNL

Brookhaven National Laboratory, LBL Lawrence Berkeley Laboratory). Infine si manterrà uncontatto con realtà industriali , che possano coprire gli aspetti di ingegnerizzazione e eventualeproduzione di quantitativi per le esperienze (Telecontrolli - Napoli, Solware srl - Milano).

[1] G. Bertuccio, P. Rehak, D. Xi, "A novel charge sensiti ve preampli fier without the feedbackresistor", Nucl. Instr. Meth. vol. A326, p. 71, 1993

[2] M. Sampietro,G. Bertuccio, L. Fasoli , "Current mirror reset for low-power BiCMOS chargeamplifier", Nucl. Instr. Meth. vol. A439, p.373, 2000

[3] L. Fabris, F. S. Goulding, N. W. Madden, "Simultaneous balli stic deficit Immunity andResili ence to parallel noise sources: a new pulse shaping technique", in Proc. IEEE 2000 Nucl.Sci. Symp., October 15-20, 2000, Lyon, France

[4] A. Georgiev, W. Gast, R. M. Lieder, "An analog-to-digital conversion based on a movingwindow deconvolution", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 41, p. 1116, 1994

[5] V.T. Jordanov, G.F. Knoll , "Digital pulse-shape analyzer based on fast sampling of an integratedcharge pulse", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 42, p. 683, 1995

[6] H. Takahashi, S. Kodama, J. Kawarabayashi, T. Iguchi, M. Nakazawa, "A new pulse heightanalysis system based on fast ADC digiti zing technique", IEEE Trans. Nucl. Sci. vol. 40, p. 626,1993

[7] M.N. Al-Haddad, Chuan Lin, W.H. Mill er, R.R. Berliner, "Development and testing of a flashanalog-to-digital converter based system for pulse shape discrimination of nuclear radiationpulses", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 41, p. 1765, 1994

[8] A. Pulli a, A. Geraci, G. Ripamonti, "Quasi-optimum gamma and X spectroscopy based on real-time digital techniques", Nucl. Instr. Meth., vol. A439, p. 378, 2000

[9] E. Gatti, P. F. Manfredi, "Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particlephysics", La Rivista del Nuovo Cimento, vol. 9, p. 108, 1986

[10] C. Fiorini, A. Longoni, F. Perotti, "New detectors for gamma-ray spectroscopy and imaging,based on scintill ators coupled to sili con drift detectors", Nucl. Instr. Meth., vol. A454, p. 241,2000

[11] A. Pulli a, A. Longoni, "A compact back-end module for high-rate multi -element spectrometersand gamma-ray imagers", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 48, no. 3, June 2001

[12] A. Pulli a, "How to derive the optimum filter in presence of arbitrary noises, time-domainconstraints, and shaped input signals: a new method", Nucl. Instr. Meth., vol. A397, p. 414,1997

[13] Xilinx Inc., 2100 Logic Drive, San Jose CALIFORNIA 95124, USA, http://www.xilinx.com[14] Altera Co., 101 Innovation Drive, San Jose, California 95134, USA, http://www.altera.com[15] V. Radeka, "Optimum signal processing for pulse-amplitude spectrometry in the presence of

high-rate effects and noise", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-15, no. 3, p. 455, 1968[16] E.R. Hafner, P.E. Leuthold, "Transversal filters with continuously tapped delay lines (CTT

filters)", Proceedings of the IEEE, vol. 57, p. 2114, 1969[17] D.D. Buss, W.H. Bailey, D.R. Colli ns, "Matched filtering using tapped bucket-brigade delay

lines", Electr. Lett., vol. 8, p. 106, 1972[18] M. Bertolaccini, C. Bussolati, "A flexible baseline restorer", Nucl. Instr. Meth., vol. 100, p. 349,

1972[19] E. Fairstein, "Gated baseline restorer with adjustable asymmetry", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.

NS-22, p. 463, 1975[20] A. Pulli a, "The switch-off baseline restorer for the 120 channel sili con detector system for

EXAFS at NSLS", Nucl. Instr. Meth., vol. A370, p. 490, 1996[21] G. De Geronimo, P. O'Connor, J. Grosholz, "A CMOS baseline holder (BLH) for readout

ASICs", IEEE Trans. Nucl. Sci, vol. 47, p. 818, 2000

TEMPI E MILESTONES

La ricerca ha una durata di tre anni.

Anno 2002Obiettivo:

Studio e reali zzazione di architetture circuitali a basso rumore, rapido tempo di discesa,elevata stabilit à e riproducibilit à per il preampli ficatore di carica dedicato alle misure dienergia. Caratterizzazione completa di prototipi a diverse temperature di esercizio e misurespettroscopiche (X e gamma) con rivelatori allo stato solido. Studio comparativo del setup apartizione resistiva, capaciti va o a linea di ritardo per le misure di posizione in camere aionizzazione o rivelatori multielemento allo stato solido.

Milestones:Giugno 2002: Realizzazione di prototipi di preampli ficatori di carica a basso rumore e

rapido tempo di discesa, caratterizzazione e prove spettroscopiche.Dicembre 2002: Studio comparativo dei possibili setup per le misure baricentriche in camere

a ionizzazione, analisi di rumore e simulazioni. Ideazione e reali zzazione dipreamplificatori ottimizzati per tali setup e prove sperimentali.

Anno 2003Obiettivo:

Realizzazione e caratterizzazione di setup a partizione di carica per le misure posizionali "adue punti" in camere a ionizzazione e in rivelatori a stato solido multielemento. Prove difunzionamento su fascio con rivelatori di tipo MWPC presso il GSI di Darmstadt. Progettocompleto di versioni ottimizzate dei preamplificatori e studio sul profilo del filtro ottimo.

Milestones:Giugno 2003: Caratterizzazione su fascio del setup e dell 'elettronica a basso rumore per le

misure posizionali, con rivelatori MWPC.Dicembre 2003: Progetto completo di diversi filt ri misti analogico-digitali per la post-

elaborazione del segnale e comparazione tra le diverse tecniche difiltraggio.

Anno 2004Obiettivo:

Realizzazione e caratterizzazione di filt ri misti analogico-digitali ottimi basati su varietecniche di filt raggio e destinati alle misure di energia e di posizione per varie tipologie dirivelatori di radiazioni e vari contesti applicativi. I diversi profili di formatura saranno dettatidal calcolo del filtro ottimo per misure di ampiezza o di "zero crossing per il tempo di arrivo.

Milestones:Giugno 2004: Realizzazione e debug dei filtri analogico-digitali ottimi.Dicembre 2004: Prove di funzionamento dell 'intera catena preampli ficatore - filt ro

analogico-digitale ottimo, se possibile in esperienze di fisica e in ambitiapplicativi vari.

INFN - P R O G R A M M A D I R I C E R C A · 2001. 8. 1. · CLIC-MI 5 Alberto Pullia MILANO...

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