May 18, 2001G. Chiodini - Fermilab1 R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale...

May 18, 2001 G. Chiodini - Fermilab 1

R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Risoluzione spaziale

FPIX0 64x12cells

8 bit external ADCFPIX1 160x18cells

2 bit internal FADC

•ST1-CiS p-stop•ST2-CiS p-sprayBonded active area 3.2x4.4mm2

•Two ST1-Seiko p-stop•ST2-Seiko p-sprayBonded active area 8x6.8mm2

• Test con fascio di pioni a 227 GeV(m. scatteringum).

• Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a microstrip di Si (risoluzione2um non deconvoluta dai dati).


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Raccolta di carica

<Q>=28850e-

Qmp=23380e-

Distribuzione di Landau convoluta con una gaussiana

)'

(

2')(

0

2

2

)'(2

2

MP

g

EE EEe

dENEfg

Saturazione del FE per CS=1

400 m

50 m

Perdita di carica nel sensore p-spray con anello flottante

Raccolta di carica uniforme nel sensore p-stop

La perdita di carica non e’ intrinsica alla tecnologia p-spray

ma e’ dovuto a questo particolare design.


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Divisione di carica

Divisione di carica nel caso in cui la traccia

incidente non e ‘ perpendicolare.

Divisione di carica in presenza di un campo B

(angolo di Lorentz).

Divisione di carica dovuto alla diffusione dei

portatori.

Meccanismi responsabili della divisione di carica

Divisione di carica capacitiva:

lettura ogni NxN pixel.

backplane

pixelinter

0 C

C

V

VAC

V0 VACVAC



Algoritmo digitale

x

Q Fluttuazione di carica

qLqR

Algoritmo head-tail

Divisione di carica e risoluzione spaziale

2,1

,1 RL

Nj

Njj

digital

xx

j

x

x

)(_ fxx digitaltailhead LR

LR

qq

qq

dove

La posizione della traccia e’ correlata con la carica raccolta dai pixel agli estremi del cluster.

LRtailhead q

qp

Si riduce al baricentro di carica per N=2 e f=p/2

222scorrelata flu.ADCnoise qqqq

qqq RLLR

12

Ppdigital

p=pitch

P=frazione di sharing



La correzione f puo’ essere estratta dai dati studiando la correlazione tra la posizione della traccia ed il residuo digitale. digpred XXf )(

La correzione f dipende dall’angolo della traccia e dalla molteplicita’ del

cluster

Traccia a 0 gradi nominali

Traccia a 10 gradi nominali

Ni

iithbiasTot PQBV,1

22 ),,,(



•Traccia fittata con il filtro di Kalman •Xpred = proiezione sul piano del fit fatto utilizzando tutti i piani ad eccezione di quello in esame (pred = 1.9 m) .• Xmeas= coordinata misurata dal piano in esame utilizzando l’algoritmo head-tail.• Risoluzione = dispersione dei residui (Xpred –Xmeas)• Suddivisione di carica lungo una colonna

CS=1,…,6

x

y

400m

50m



xy

400+400 m

Buona risoluzione spaziale anche quando la carica e’ suddivisa tra colonne.

Sigma=4.650.10 m

Mappa 2D della divisione di carica per tracce a 0 gradi.



La risoluzione si degrada rapidamente al crescere della soglia

Soglia nominale

Sensore ST1 CiS equipaggiato con FPIX0

• Nessuna degradazione della risoluzione quando il rivelatore e’ sovrasvuotato.• A piccoli angoli di traccia la risoluzione migliora per bias vicino al potenziale di svuotamento.

Bias nominale Vsvuotamento



Sensore ST1 CiS equipaggiato con FPIX0

Confronto tra la risoluzione ottenibile con l’interpolazione di carica analogica e digitale.L’informazione di carica migliora risoluzione in modo significatico.

Con quanta precisione e’ necessario misurare la carica raccolta per avvantaggiarsi della interpolazione analogica? Quanti bits di accuratezza digitale sono necessari nel ADC di Front-End?



FPIX0pstop(8-bit) Qth=3720e-

FPIX1pstop(2-bit) Qth=3780e-

FPIX0pstop(8bit) Qth=2500e-

FPIX0pspray(8bit)Qth=2200e-

FPIX1pstop(2bit)Qth=3780e-

La risoluzione si degrada meno di 1 um passando da 8 bit (nominali) a 2 bit.

Nel caso del sensore p-spray la perdita di carica peggiora la risoluzione spaziale in modo significativo.

8 bit (nominali)= 45 bit


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio - Funzione di risoluzione

offcutpl

offcutoffcut

pl

pl

rxx

A

rxr

A

xF

||||

||||

)(

W

xt

W

bgpW

pWbg e

AdtxF

2

2)(

2)(

La coda non-gaussiana ha le seguenti proprieta’: • Contiene il 15% degli eventi• esponente 2.3

)()()( xFxFxF plGauss

TTT

keV

dT

dNoffcut

36.52

Emissione di raggi delta

No divisione

di carica:Box-shape

Divisione di carica:coda non-gaussiana


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Esposizione a raggi gamma

Risposta ad un impulso di 3260e nominali prima e dopo 33 Mrad(Si) d’esposizione alla radiazione gamma

Variazione della distribuzione del soglia e del rumore prima e dopo 33 Mrad(Si) d’esposizione alla radiazione gamma.

Esposizione a Co60 ad Argonne National Laboratory di diverse strutture di test (dispositivi singoli) e preFPIX2T (array di FE 2x32).


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Esposizione a protoni di 200 MeV

Tensione d’uscita del DAC (14 MRad[Si]).

• IUCF (Indiana University Cyclotron Facility).• 4 preFPIX2I (matrice 18x32 completa di readout).• 1 preFPIXTb (matrice 18x32 completa di readout e DAC). • Leggero aumento della potenza dissipata dopo l’irragiamento.

Distribuzione di soglia e del rumore (26 MRad[Si]).


R&D a FNAL: Studi condotti su fascio – Single event effect

1errorbit -kill

1errorbit -DAC

23N

8.1N

h

h

216register-shift 10)3.097.1( cm 21610)2.18.3( cmDAC

PreFPIX2I esposto per 24 ore ad un fascio di protoni a 200 MeV. Dose totale integrata pari a 26 Mrad(Si) (equivalente a circa 8 anni di BTeV):• Nessuna evidenza di Latch-up o altri eventi catastrofici.• Nessuna evidenza di gate-rapture.

PreFPIX2Tb esposto per 8 ore ad un fascio di protoni a 200 MeV. Dose totale integrata pari a 14 Mrad(Si) (equivalente a circa 5 anni di BTeV):• Evidenza di Single Event Up Set sia nei registri di mascheramente e iniezione di carica delle celle, sia nei registri dei DAC della periferia.• Misura della sezione d’urto di upset di un bit.

Predizione del rate d’errore nel rivelatore di vertice in BTeV

bit onebitserror NFN • Nerror = total bit errors• F = I*time = integrated fluence• Nbits = number of bits exposed• sbit = one bit SEU cross section


Conclusioni1. BTeV e’ un esperimento

tecnologicamente aggressivo ma fattibile con la tecnologia esistente.

2. Enormi progressi sono stati fatti a FNAL nel realizzare prototipi di piccoli rivelatori a pixel soddisfacenti le richieste di BTeV.

1. Elevata risoluzione spaziale.2. Resistenza alla radiazione.3. Elevata velocita’ di lettura.

3. Ora e’ necessario affrontare le problematiche relative alla costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo e robusto.

1. Yield delle sue varie componenti.2. Un “leggero’’ supporto meccanico e di

raffredamento.3. Installazione e cablazione all’interno del

contenitore ad alto vuoto.

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