Studio della dipendenza dalla temperatura delle

prestazioni del tracciatore a silicio

di GLAST

19 Maggio 2005

Relatori:Prof. P. SpinelliDott. F. Loparco

Laureanda:Claudia Monte

Sommario:

Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici

Esperimento GLAST: la strumentazione

Il rivelatore a silicio di GLAST

Analisi delle sorgenti di rumore elettronico

I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT

Presentazione dei risultati sperimentali

Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici1. Definizione di una mappa del cielo gamma più completa rispetto a

quella di EGRET, con lo scopo di identificare sorgenti localizzate e di studiare l’emissione diffusa.

2. Comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento di particolari corpi celesti, come AGN, Blazar, Pulsar, SNR e stelle binarie.

3. Studio del comportamento dei Gamma-Ray Burst per stabilirne l’origine.

4. Analisi spettrale dei fotoni rivelati al fine di identificare eventuali fotoni prodotti da annichilazione di materia oscura.

5. Osservazione e studio dei “solar flares”.

Esperimento GLAST: la strumentazione

GBM (Glast Burst Monitor)Studio dei GRB nel range energetico:

1keV-30 MeV

LAT (Large Area Telescope)Range energetico: 20 MeV÷300 GeV

GLASTGamma-ray

LargeArea

SpaceTelescope

(Messa in orbita: Ottobre 2007)(Presa datI: minimo 5 anni)

Principio di funzionamento del LAT

Produzione di coppie: e+ e-

Tracciatore (TKR): 36 piani di rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD) alternati a fogli convertitori di tungsteno per convertire i in coppie e+ e-.

Calorimetro (CAL): 96 barre di cristalli di CsI drogato con Tl per la misura dell’energia associata alle

coppie e+ e- prodotte.

Rivelatore di anticoincidenza (ACD): schermo di 145 barre di scintillatori plastici segmentati per il rigetto dei raggi cosmici carichi.

Calorimetro

Sistema di anticoincidenza (ACD)

Grid

DAQElettronica

Tracciatore

Struttura del LAT

Struttura modulare: Matrice 4x4 di torri

identiche

Struttura del TKR

» Ciascuna torre del TKR è costituita da 19 moduli (tray) Top: unico tray privo dello

strato superiore di SSD

Standard: 11 tray, di spessore pari a 0.03 X0

con strato convertitore spesso 105 m

Super-Glast: 4 tray , di spessore pari a 0.18 X0

con strato convertitore spesso 630 m

Standard senza convertitore: 2 tray

Bottom: unico tray privo dello strato inferiore di SSDIl tray ha uno spessore di 3 cm: è costituito

da un pannello a nido d’ape in alluminio inserito tra due fogli sottili in fibra di carbonio 4 cornici in carbon-carbon lungo i lati

I rivelatori a silicio di GLAST

Dimensioni 8.95 x 8.95 cm2

Spessore 400 m

Numero strip 384

Passo strip 228 m

Tensione di svuotamento < 120 V

Tensione di breakdown > 175 V

Percentuale strip non funzionanti: < 0.2 %

LadderWafer di silicio Piano di SSD

4 file di ladder

matrice 4x4 wafer

1536 strip per piano

Corrente di leakage per strip < 1.5 nA

Capacità di svuotamento ~7.5 pF

L’elettronica di front-end

ZdI

Zf

Cc

Zfs

gm gms

Vout

Detector Preamplificatore Shaper

Rd (Resistenza di ingresso)

200 G

Cd (Capacità di ingresso)

47 pF

Cc (capacità di disaccoppiamento)

1.5 pF

Rf (Resistenza di feedback)

10 G

Cf (Capacità di feedback)

9.2 pF

gm(Transconduttanza Transistor)

7∙10-4 S

Rfs (Resistenza di feedback shaper)

100 M

Cfs (Capacità di feedback shaper)

9 pF

gms (Transconduttanza transistor shaper)

7∙10-4 S

DISCRIMINATORE

Studio della dipendenza del noise dalla temperatura

In fase di volo tra i diversi piani delle torri esisterà un gradiente di temperatura

Una eventuale dipendenza del noise dalla temperatura comporterebbe diversi valori di noise nei differenti piani della torre

Ciò ha importanti conseguenze nella scelta del valore di soglia dei discriminatori associati a ciascun canale di lettura degli SSD

Motivazioni

Analisi delle sorgenti di noise

Sorgenti di noise

Corrente di buio (o corrente di “leakage”)

SHOT NOISE

Noise associato alla resistenza di biasNOISE TERMICO

Noise associato alla resistenza di feedback

NOISE TERMICO

Noise dell’amplificatore Associato

NOISE TERMICO + NOISE1/f

T

1

T

1

2k

EexpTIe2TIe2i

0

b

2

00ll

2nd T

T

bnb R

kTi 42

fnf R

kTi 42

f

A

g

kT

f

AVV f

m

fnawna 7.222

Tensione di rumore2vrmsV

20

2

222

12222 d

GVGiii nanfnbndv

Circuito equivalente di noise

ind Zd inb

Vnainf

Zf

- +

V preampl.

KT

eVE

T

T

k

E

T

TcTbA

b

bv

293

2.1

12

exp1

0

0

2

0

fCmVG 115

nATI l 5.10

KT 2930

I risultati della simulazione

I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT

TEM

Cold Plate

TOWER

Grid Ring

Tower Stand

IGS

Cicli termici

Test effettuati

TrckerGTRCConfiguration

TkrGTFECheck

TkrReadingConfigurationTest

TkrNoiseAndGain

TkrNoiseOccupancy

TkrTotTest

Test di verifica delle operazioni di trasmissione dati dai 64 chip dell’elettronica di lettura delle 1536 strip di ogni piano di SSD alla TEM

Test di verifica sul corretto funzionamento della configurazione di lettura di ciascun layer

Test effettuato allo scopo di trovare eventuali canali disconnessi misurando il guadagno ed il noise di ciascun canale

Test con lo scopo di cercare eventuali canali rumorosi

Test di Calibrazione del TOT (Time Over Threshold)

Misure di guadagno e di noise

V1 V2

Presentazione dei risultati sperimentali

0

0

q

VG

35.212 VV

v

eGENC v

Distribuzione di guadagno e noise sulle strip

Per il guadagno si osserva un andamento discontinuo con fluttuazioni tra i diversi chip di lettura (GTFE)

Per il noise, le fluttuazioni sono di entità minore

Distribuzione di guadagno e di noise sull’intera torre

Guadagno medio: ≈ 100 mV/fC

Fluttuazioni attorno alla media:

≈ ±10%

Noise medio: ≈ 1500 ENC

Fluttuazioni attornoalla media:

≈ ±13%

Studio dell’andamento della

temperatura, del guadagno e del

noise in funzione del tempo per i 35 run analizzati

Si osserva una correlazione

Studio del guadagno in funzione della temperatura

In un intervallo di temperatura di ~60 K il guadagno varia di circa 5mV/fC, che corrisponde ad una variazione dello 0.1% per grado.

E’ lecito trascurare la variazione del guadagno in funzione della temperatura ed assumere un guadagno medio dell’ordine del centinaio di mV/fC costante con la temperatura.

Esiste una dipendenza del noise dalla temperatura

Studio del noise in funzione della temperatura

0

2

0

12

exp.T

T

k

E

T

TcAleakageContr b

TbAtermicoContr .

AfContr 1.

0

2

0

12

exp1T

T

k

E

T

TcTbATotale b

Dati sperimentali

Barre di errore sulla temperatura fino a 10 gradi nelle fasi transienti

Andamento del noise medio in funzione della temperatura per i piani superiori ed inferiori della torre

0

2

0

12

exp1T

T

k

E

T

TcTbA b

Conclusioni

Il guadagno dipende debolmente dalla temperatura con una variazione dello 0.1 % per grado Kelvin

Il noise mostra una dipendenza dalla temperatura in accordo con il modello teorico utilizzato per descrivere l’elettronica di lettura degli SSD del LAT

Si può assumere un guadagno costante al variare della temperatura approssimabile con un valore di ~ 100 mV/fC

Le fluttuazioni del noise sono dell’ordine del 10% su un intervallo di temperatura di 60 K