Report - Elettronica per la Fisica Sperimentale · laboratorio: i PC sono connessi alle schede con...
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7 maggio 2020 ELETTRONICA PER LA FISICA SPERIMENTALE e proposte di Tesi P. Carniti, C. Gotti, G. Pessina
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7 maggio 2020
ELETTRONICA PER LA FISICA SPERIMENTALE
e proposte di Tesi
P. Carniti, C. Gotti, G. Pessina
Le attività del nostro gruppo
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Le collaborazioni del nostro gruppo spaziano in diversi campi della Fisica delle particelle:
Fisica delle alte energie• CMS• LHCb
Fisica del neutrino• CUORE• LuCIFER* → CUPID-0/CUPID• CROSS*• DUNE
Altre attività del gruppo• Collaborazioni con l’industria (con INFN): Tecnologix, ALTA-LAB• Collaborazioni con il gruppo di Biofisica• Didattica
* grant ERC
Il futuro dell’elettronica
La nostra vita quotidiana è sempre più dominata da dispositivi elettronici:• Sensori di ogni tipo in oggetti di uso quotidiano (dispositivi «smart», «Internet of things», …)• Elettronica sempre più distribuita nel mondo «fisico» e interfacciata con esso• Esempi: auto a guida autonoma, dispositivi indossabili (wearables), applicazioni medicali, …
Elettronica digitaleL’elettronica digitale domina lo sviluppo delle tecnologie elettroniche (transistor sempre più piccoli, alta velocità, parallelizzazione, basso consumo).
Elettronica analogicaSe l’elettronica digitale vuole interfacciarsi con il mondo fisico (analogico) è irrinunciabile avere unainterfaccia («front-end») tra questi due mondi.
Sensore:converte la grandezza fisica di interesse in un impulso elettrico.
Front-end analogico:amplifica e filtra il segnale.(basso rumore, alta precisione, velocità, … )
Convertitori e Processori:DigitalizzazioneCalcoloMemorizzazione
10010…
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Rivelatori di particelle ed elettronica
Un «rivelatore» (sensore, trasduttore, …) converte l’energia depositata dalla particella incidente in un impulso elettrico.
Il «front-end» analogico amplifica e filtra il segnale. Requisiti tipici: basso rumore, alta precisione (spaziale, temporale, …), velocità, …
Il «DAQ» (sistema di acquisizione) digitalizza i segnali per la memorizzazione.
γ, e, p, …
Rivelatore:
Dati
Controllo
Fenomeno fisico Analisi dati
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Come si declina il paradigma «mondo fisico → front-end analogico → convertitore A/D» in un esperimento di Fisica?
Elettronica di front-end
In cosa consiste l’elettronica di front-end per un esperimento di Fisica?Mostriamo alcuni esempi di elettronica di front-end progettata dal nostro gruppo:
Schede a componenti discretiSchede che ospitano componenti disponibili sul mercato, selezionati per soddisfare le necessità dell’esperimento.
Circuiti integrati customQuando lo spazio a disposizione è poco e le specifiche particolarmente spinte, si realizzano circuiti integrati di dimensioni micrometriche, progettati ad hoc per l’esperimento.(«ASIC: Application specific integrated circuit»)
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Analogica
Digitale
I rivelatori RICH dell’esperimento LHCbLHCb è uno dei 4 grandi esperimenti all’acceleratore Large Hadron Collider (CERN).Comprende due sottorivelatori «RICH» per l’identificazione delle particelle.In sostanza, delle macchine fotografiche ultraveloci:• 40 milioni di scatti al secondo• Sensibili a singolo fotone
Sviluppo del chip CLARO8:• CMOS 350 nm• 8 canali• Ultra-veloce (risposta
< 25 ns) per alti rate di segnale (> 40 MHz)
• Resistente alla radiazione
Caratteristiche dell’elettronica:• Alta velocità e precisione temporale• Capacità di sopravvivere alla radiazione dell’acceleratore
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Analogica Digitale
Rivelatori bolometrici (CUORE, CUPID, CROSS)I bolometri convertono l’energia rilasciata dalla particella in calore.L’aumento di temperatura è rivelato da un sensore resistivo (termistore) a semiconduttore (NTD-Ge).Il termistore genera un segnale di tensione, che viene amplificato e digitalizzato.
Preamplificatore
Sistema di acquisizione datiScheda custom + FPGA
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Compiti dell’elettronica:• Lettura dei segnali a bassissimo rumore • Alta reiezione dei disturbi ambientali• Alta stabilità nel tempo
Elettronica di front-end di CUORE: 1000 canali
NTD Ge Sensor (Thermometer)
Teflon (PTFE) supports
Copper Holder
Crystal (TeO2)
Weak Thermal Coupling
Heat Sink
Absorber Crystal
Incident Radiation
Heater resistor
I fotorivelatori di DUNEDUNE è un esperimento per lo studio delle proprietà dei neutrini in costruzione negli USA.Per rivelare i fotoni prodotti nelle interazioni, si useranno fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM) immersi in argon liquido (90 K).
Compiti dell’elettronica:• Basso rumore• Capacità di funzionare a temperatura criogenica
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Fotorivelatore (SiPM)
Segnali corrispondenti a 1, 2, 3, etc fotoni
Amplificatore
Proposte di tesi triennali da remotoAttività da svolgere da remoto, basate su microcontrollori di famiglia ARM:
1. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per rivelatore al germanio per spettroscopia nucleare
2. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per microfoni a bassa frequenza, per applicazioni sismografiche e di diagnostica vibrazionale
3. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per rivelatori di luce al silicio (SiPM) con sensibilità al singolo fotone
4. Studio di tecniche di comunicazione/trasferimento dati ottimizzate per esperimenti di Fisica
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Esempio di lavoro da remoto
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Esempi di postazioni di lavoro in laboratorio: i PC sono connessi alle schede con cui dialogare e sviluppare il firmware
Il portatile, che simula la postazione «casalinga», replica il PC del laboratorio: con webcam si vede l’effetto sulla scheda, mentre con il software di sviluppo è possibile dialogare e programmare il microcontrollore.
Considerazioni finali
Le competenze acquisite da un fisico-elettronico forniscono un ottimo curriculum:• sia per continuare nel campo della ricerca accademica (ogni
esperimento di Fisica ha bisogno di un’elettronica di front-end!)• sia per inserirsi in realtà produttive e/o di ricerca industriale
Inseriti in vaste collaborazioni internazionali:• esperienze all’estero• lavoro in team
SensoreFront-end analogico Convertitori e
Processori
10010…
Rivelatore Front-end analogico DAQ
γ, e, p, …
≈Esempi di competenze acquisite: • Sistemi embedded con microcontrollori e FPGA
(IoT, automazione industriale, applicazioni mediche, …)• Lettura ed elaborazione di segnali provenienti da sensori• Sviluppo di sistemi di misura automatizzati• Progettazione di elettronica integrata• Studio di fotorivelatori• …
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