Studio di rivelatori a pixel di silicio in tecnologia 3D ... velatori a pixel di silicio in...

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANOFACOLTA DI SCIENZE MATEMATICHE,

FISICHE E NATURALICorso di Laurea Triennale in Fisica

Studio di rivelatori a pixel di silicio

in tecnologia 3D per Atlas

Relatore interno: Prof. Attilio Andreazza

Relatore esterno: Dott.ssa Chiara Meroni

Tesi di Laurea di:Rimoldi MarcoMatr. 724399

Codice P.A.C.S.: 29.40.-n

Anno Accademico 2010 - 2011

Indice

Introduzione 4

1 ATLAS & IBL 61.1 ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 Pixel Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.1 Struttura del rivelatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.2 Moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.3 Il circuito integrato FE-I3 . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 IBL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.1 Moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.2 Sensore 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.3 Il circuito integrato FE-I4 . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4 Perdita di Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Apparato Sperimentale 232.1 Sistemi acquisizione dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Curva I-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3 Controllo di funzionalita del chip . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4 Determinazione di Soglia e Rumore . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5 Calibrazione delle soglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.6 Aggiustamento del TOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.7 Acquisizione dati con sorgente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3 Analisi Dati 313.1 3D FBK ATLAS08 FE-I3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.1 Curva I-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.1.2 Comportamento del sensore . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1.3 Aquisizione dati con sorgenti . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2 3D FBK ATLAS07 FE-I4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3 3D FBK ATLAS09 FE-I4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.1 Curva I-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3.2 Tuning Soglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3.3 Tuning 2000 e� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3.4 Tuning 3200 e� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2

0.0 INDICE

Conclusioni 52

A Rivelatore Planare 53

3

Introduzione

Questo lavoro di tesi si inserisce nello studio e nella caratterizzazione di ri-velatori a pixel di silicio in tecnologia 3D da utilizzare nell’upgrade del PixelDetector di Atlas chiamato IBL (Insertable B-Layer). IBL e un nuovo stra-to di rivelatori da aggiungere all’interno del presente Pixel Detector ad unadistanza dal punto di interazione di 3.3 cm durante lo shutdown di LHC previ-sto nel biennio 2013-14. Attraverso l’aggiunta di IBL sara possibile migliorarela qualita del parametro d’impatto per la ricostruzione delle tracce e quindimigliorare l’indentificazione dei vertici dei decadimenti.

A di↵erenza dei rivelatori di tipo planare presenti nell’attuale Pixel Detec-tor, i rivelatori a pixel di silicio in teconologia 3D prevedono elettrodi di tipon� e p+ che penetrano quasi completamente nel substrato di spessore 230µm.Questo permette dei miglioramenti per quanto riguarda la tensione di svuota-mento che dipende dalla configurazione degli elettrodi e non dallo spessore delsilicio, una migliore tolleranza alle radiazioni e un aumento percentuale dellazona sensibile grazie all’implementazione di Slim Edge ai bordi del sensore.

Nella prima parte del lavoro ho calibrato e caratterizzato un rivelatore 3Daccoppiato al chip di elettronica di front-end utilizzato per il Pixel Detector(FE-I3) rimettendo in funzione la catena di lettura utilizzata per lo studio deisensori a pixel installati in Atlas. Sono poi passato ad installare e caratteriz-zare una nuova catena di lettura per lo studio di rivelatori a pixel accoppiatia FE-I4, un nuovo chip in tecnologia CMOS 130µm espressamente progettatoper IBL.

Per le acquisizioni dati con FE-I3 e stato possibile analizzare i file di outputdi eventi aquisiti durante esposizione ad 241Am e 90Sr attraverso la scritturadi un programma in C++ nel quale ho implementato un codice per e↵ettuaredecodifica e ricostruzione degli eventi.

Attraverso la nuova catena di lettura ho caratterizzato due rivelatori 3D;per il primo campione ho evidenziato in una regione problemi nel collegamentotra l’elettronica di lettura posta sul sensore e il sensore stesso e danneggiamentidel sensore in un’altra. E’ stato possibile osservare questi difetti sia attraversole procedure di calibrazione del chip usando un impulsatore integrato, siaattraverso esposizione a sorgenti.

Il secondo campione ha superato le specifiche di qualita ed e stato possibilestudiare il suo comportamento al variare di parametri caratteristici (soglia,tensione di svuotamento) e quindi analizzare la risposta al segnale indotto da

4

0.0 Introduzione

fotoni ed elettroni da sorgenti di 241Am e 90Sr a varie configurazioni di soglia.Si e infine verificato anche il funzionamento del primo sensore planare

collegato a FE-I4 tramite microsfere di Indio. Tale processo e sviluppatoda ricercatori INFN di Milano con la ditta Selex di Roma. Questo sensoreha mostrando un buon comportamento per quanto riguarda distribuzione disoglia e rumore.

5

Capitolo 1

ATLAS & IBL

In questo capitolo analizzero le principali caratteristiche di Atlas in particolaredel Pixel Detector e i vantaggi portati dall’inserimento di IBL al suo interno.Si descrivera la tecnologia 3D per rivelatori a pixel di silicio.

1.1 ATLAS

ATLAS 1[1] e uno dei due rivelatori general-purpose di LHC2 costruito al Cern3

di Ginevra.

Figura 1.1: ATLAS

1A Toroidal LHC ApparatuS2Large Hadron Collider3European Organization for Nuclear Research

6

1.1 CAPITOLO 1. ATLAS & IBL

LHC ha l’obiettivo di indagare fenomeni mai prima d’ora osservati tra cuila ricerca del Bosone di Higgs e la Super-Simmetria. Attualmente due fasci dienegia nominale di 3.5 Tev collidono in 4 regioni di interazione ed e stata rag-giunta una luminosita di 1.26 · 1033 cm�2s�1. ATLAS e installato in una zonasperimentale sotteranea ed e composto da una serie di cilindri concentrici svi-luppati intorno al punto di interazione dei fasci. In prossimita della regione diinterazione si sviluppa l’Inner Detector ; esso si occupa della ricostruzione delletraiettorie delle particelle cariche prodotte dalla collisioni pp e della posizionedel punto di interazione (vertice primario) di ogni evento, attraverso l’utilizzodi oltre 80 milioni di canali di aquisizione indipendenti. Combina informazioneprovenienti dal Pixel Detector, dall’Semi-Conductor Tracker e dal TransitionRadiation Tracker. La funzione del Pixel Detector e quella di tracciare congrande precisione la traiettoria delle particelle in prossimita del punto di in-terazione e quella di risalire ai vertici dei decadimenti. Il Semi-ConductorTracker ed il Transition Radiation Tracker facilitano la ricostruzione globaledell’evento e permettono di misurare con precisione la quantita di moto delleparticelle e quest’ultimo inoltre permette l’identificazione degli elettroni. Piu

Figura 1.2: Inner Detector

all’esterno dell’Inner Detector si sviluppano i calorimetri che hanno il compitodi misurare, attraverso l’assorbimento, l’energia delle particelle. Dall’internotroviamo l’Liquid Argon Calorimeter e successivamente l’Hadronic Calorime-ter. Come ultimo strato di rivelatori troviamo il Muon Detector. Attorno airivelatori si sviluppa un sistema complesso di magneti superconduttori atti a

7


curvare le traiettorie della particelle. Il sistema di magneti e composto da unsolenoide centrale, che fornisce un campo magnetico medio di 2 T a tutto l’In-ner Detector con una massimo di 2,6 T in prossimita del magnete stesso. Al difuori del solenoide si sviluppa un toroide centrale e due laterali che generanorispettivamente un campo di 0,5 T e 1,0 T.

Un complesso sistema di aquisizione dati e realizzato intorno a tutti irivelatori permettendo l’immagazzinamento in tempo reale di limitate quantitadi dati in memorie ad alta tolleranza da radiazioni prima della loro trasmissionefuori dal detector.

In questo capitolo andro a descrivere le principali caratteristiche del rive-latore a Pixel di ATLAS e il suo successivo sviluppo dato da IBL4.

1.2 Pixel Detector

Il Pixel Detector [2] (Figura 1.3) e il componente piu interno del rivelatore eil piu vicino alla zona di collisione dei fasci. Esso svolge una funzione di pri-maria importanza per la ricostruzione e il tracciamento delle particelle carichein un range di pseudorapidita ⌘ 2.55. Il rivelatore a Pixel di Atlas, allaluminosita nominale di LHC pari a L = 1034 cm�2s�1, riuscira ad identificaree a ricostruire i vertici secondari dei decadimenti con una ottima risoluzionespaziale anche in presenza di interazioni multiple.

Figura 1.3: ATLAS Pixel Detector

4Insertable B-Layer5La pseudorapidita ⌘ definita dall’angolo ✓ tra l’asse del fascio e la traiettoria della

particella come ⌘ = � log tan ✓

2 .

8


1.2.1 Struttura del rivelatore

Il Pixel Detector e sostenuto da 3 strutture cilindriche in fibra di carbonioconcentriche nella regione centrale chiamate B-Layer, Layer 1 e Layer 2 men-tre sui due lati sono disposti 3 dischi ortogonali rispetto alla direzione deifasci. Le strutture cilindriche distano dalla asse del fascio rispettivamente50, 5mm, 88, 5mm e 122, 5mm mentre i tre dischi distano dal punto di inte-razione 49, 5 cm, 58 cm e 65 cm. In tal modo sono garantiti tre precisi puntinello spazio, dai quali e possibile ricostruire un segmento per l’individuazionedella traiettoria.

La dose aspettata di radiazioni per il B-Layer del rivelatore e di circa500 kGy dopo circa 5 anni di funzionamento. Layer 1 e 2 hanno una previsionedi raggiungere la dose di 500 kGy dopo oltre 10 anni di funzionamento di LHCalla massima luminosita. La dose di 500 kGy equivalente a circa 1015 n

eq

·cm�2

e ritenuta il limite massimo per il buon funziomento dei rivelatori; superatoquesto limite l’e�cenza risulta diminuita per i danni causati alle strutturecristalline del sensore e al circuito integrato di lettura.

1.2.2 Moduli

Su questa struttura sono stati montati 1744 moduli ognuno composto di unrivelatore al silicio strutturato a pixel con un’area totale sensibile pari a circa1, 6m2. Ogni modulo ( Figura 1.4 ) consiste in un unico sensore di silicio spesso250µm di superficie 1, 64⇥ 6, 08 cm2. Per evitare la presenza di regioni passivesulla superficie del rivelatore i moduli sono montati sulle doghe di supportoin modo che due elementi adiacenti presentino una piccola sovrapposizione,schematizzabile come una squamatura. Per lo stesso motivo, anche due dogheadiacenti sono sovrapposte tra di loro: nel montaggio finale esse sono dispostecon un angolo di inclinazione di 20 rispetto alla direzione del raggio al centrodel modulo6.

Figura 1.4: Modulo ATLAS Pixel Detector

Il sensore e composto da 47232 pixel di dimensione 50µm ⇥ 400µm. Lastruttura a pixel del sensore e garantita da un lato da impiantazioni n+ in un

6L’inclinazione di una staves rispetto all’altra e uguale a 360/numero di staves e varia aseconda del Layer considerato.

9


substrato di tipo n dall’altro da una deposizione uniforme p+ (Figura 1.5). Latensione di svuotamento (HV) e applicata dal lato p+ per evitare scariche nellaregione di interconnessione tra il sensore e il circuito di lettura permettendocosi di mantenere i pixel e il circuito di lettura a potenziale di terra. Il campoelettrico nel sensore e diretto dal lato n+ al lato p+. Per evitare cortocircuitidovuti all’elevata densita di elettroni nella regione tra due pixel adiacenti, essisono stati isolati usando una particolare tecnica (moderated dose p-spray) checonsiste in una piccola impiantazione p tra i pixel (Figura 1.6). Sopra ognisensore sono presenti 16 chip di Front-End (vedi Sez 1.2.2) di matrice 18⇥160pixel per un totale di 2880 pixel per FE.

Figura 1.5: Rivelatore a Pixel Figura 1.6: Rivelatore aPixel

Le interconnesione tra il sensore e il FE sono e↵ettuate mediante bump-bonding con Pb-Sn o Indio. Risulta cosi che a ogni pixel del sensore siacollegato un preciso canale del FE. Al di sopra del sensore viene posto un chipdi controllo chiamato MCC 7: questo circuito digitale implementa funzionecomplesse per la ricostruzione di eventi e trigger. Alimentazione e segnalisono portati da un ibrido flessibile “Flex-Hybrid” incollato sul retro del sensoretutto interconnesso attraverso wire-bond.

Per riuscire a garantire una copertura totale della zona morta tra 2 FE ,circa 400µm, i pixel a destra e a sinistra sono stati allungati fino a 600µm,questi pixel vengono chiamati long . I pixel di quattro righe (159,157,155,153)nella parte superiore del chip di lettura sono connessi attraverso connessionemetalliche a pixel non coperti dal FE; questi pixel vengono detti ganged . Ipixel delle righe 158, 156, 154 vengono chiamati inter-ganged. E’ possibilevedere uno schema in Figura 1.7. Una caratteristica dei pixel long e ganged equella di essere piu rumorosi rispetto ai pixel normali poiche presentano unacapacita maggiore verso l’amplificatore.

7Module Controller Chip

10


Figura 1.7: Inter-Chip Region

1.2.3 Il circuito integrato FE-I3

Il circuito integrato di lettura FE-I38 contiene 2880 circuiti di lettura indi-pendenti caratterizzati da una dimensione di 50µm⇥ 400µm disposti su unamatrice di 18 colonne e 160 righe. Il FE-I3 e un circuito integrato in tecno-logia standard CMOS 0.25µm. Il chip contiene circa 3.5 milioni di transistorresistenti alle radiazioni.

Come riportato in Figura 1.8 ogni cella e composta da un amplificatore, daun discriminatore e da una parte digitale di lettura. Il segnale proveniente daldiscriminatore ha una fissata ampiezza e una larghezza proporzionale all’am-piezza del segnale analogico(questo aspetto sara sviluppato successivamentenel Capitolo 2). Alla fine di ogni coppia di colonne vi e presente una memoriachiamata EOC (End Of Column) in cui vengono temporaneamente raccolti idati in attesa di un segnale dal Level 1 Trigger. Per le attuali performance diAtlas, la frequenza massima di trigger e 100kHz. Se il segnale di trigger nonviene ricevuto, l’evento viene scartato lasciando spazio libero per nuovi dati.Nel caso in cui il segnale di trigger dia esito positivo l’evento viene mandatoal MCC che provvede alla ricostruzione dell’evento di tutto il modulo primadi mandare tutta l’informazione alla catena di lettura fuori dal rivelatore.

8Front End Ibm 3

11


Figura 1.8: FE-I3

12


1.3 Insertable B-Layer

IBL[3] e un nuovo strato di rivelatore da aggiungere al presente Pixel Detec-tor a un raggio di 3.3 cm. Il presente Pixel Detector e stato progettato peroperare fino ad una luminosita di picco di 2 · 1034 cm�2s�1; con un upgrade diLHC previsto intorno al 2017 chiamato LHC Phase 1 la luminosita dovrebbepiu che raddoppiare rispetto a quella attuale portando l’elettronica presentead essere inadeguata per processare i dati del B-Layer. A tali luminosita cisaranno decine di interazioni pp ad ogni incrocio dei fasci, rendendo moltodi�cile l’analisi dei dati e richiedendo una maggiore granularita e ridondanzedel rivelatore. Serve quindi una elettronica in grado di gestire tale quantita didati per un campionamento piu rapido, bu↵er di memoria piu precisi e pixelcon dimensioni minori per migliorare la capacita di separare due traccie. Ag-giungendo IBL si migliorera la capacita di tracciamento dell’intero rivelatoreandando a migliorare la capacita di separazione di due traccie e a compensareil deterioramento dovuto a radiazioni del B-Layer. Per riuscire ad installa-re IBL sara necessario sostituire la presente camera a vuoto dell’accelleratorebeam pipe, per ridurre lo spazio occupato permettendo inoltre di migliorare leprestazioni all’alta luminosita di LHC.

Figura 1.9: Foto del presente PixelDetector con Beam Pipe inserita

Figura 1.10: Render di IBL con lanuova Beam Pipe (in giallo)

Poiche IBL sara posto a un raggio di 3, 3 cm dal punto di interazione saranecessario progettare una elettronica e sensori piu performanti in grado diresistere a dosi di radiazione piu elevate. IBL sara pronto ed installato inAtlas nel 2014.

1.3.1 Moduli

Il modulo da utilizzare per l’installazione di IBL dipendera dalla scelta delsensore; sono state infatti proposte tre tecnologie di↵erenti (planare, diamantee 3D) ognuna con diverse specifiche tecniche. Se sara utilizzato un sensoreplanare o diamante il mudulo sara composto da 2 chip mentre se sara utilizzatola tecnologia 3D il modulo e previsto essere a un solo chip (Figura 1.11).

13


L’utilizzo di due chip per modulo permetterebbe di minimizzare la regioneinattiva dovuta ai bordi del sensore. Per la tecnologia 3D e stata studiatala possibilita di ridurre tale e↵etto rendendo il bordo attivo9 minimizzandocosi la regione non sensibile. I principali parametri che andranno studiati perindividuare il sensore candidato sono la temperatura di esercizio, la tensionedi svuotamento del sensore e la tolleranza alle radiazioni.

Figura 1.11: Moduli per IBL [3]

Sensori Planari

I sensori planari sono lo sviluppo della tecnologia gia in uso nel Pixel Detector,con speciali accorgimenti di progetto per migliorarne la resistenza alla radia-zioni e ridurre la regione non attiva ai bordi del rivelatore. Essi richiedono lapiu bassa temperatura di esercizio e la piu alta tensione di svuotamento male loro proprieta meccaniche e la loro produzione sono ben conosciute; hannoun costo di produzione relativamente basso e un alto rendimento produttivo.

Sensori a Diamante

I sensori a diamante utilizzano come materiale sensibile sottili spessori di po-licristalli di diamante. Data la struttura del reticolo cristallino del diamante,questi sono molto resistenti al danneggiamento da radiazione. Essi tuttavianecessitano di una tensione di operazione pari a quella dei sensori planari mala loro temperatura di esercizio risulta essere piu alta. E’ ancora da dimostrareuna buona uniformita produttiva collegata ad una alto rendimento.

Sensori 3D

I sensori 3D richiedono la piu bassa tensione di svuotamento ed una tempera-tura di esercizio intermedia. La presenza di un Slim Edge permette a questotipo di sensore di avere la piu alta accetanza minimizzando la regione non

93D Slim Edge

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sensibile del sensore. La caratterizazione del sensore 3D sara sviluppata nelleprossime sezioni.

1.3.2 Sensore 3D

Il primo articolo riguardante i rivelatore 3D fu pubblicato da S.I. Parker, C.J.Kenney e J.Segal nel 1997 [5]; la caratteristica principale e quella di presentareuna matrice tridimensionale di elettrodi che penetrano all’interno del substra-to di silicio. Gli elettroni e le lacune vengono raccolti da elettrodi cilindricidisposti perpendicolarmente alla superfice. Per raggiungere la condizione disvuotamento non e piu quindi necessario svuotare tutto lo spessore del ri-velatore ma solo la distanza che intercorre tra due elettrodi ottenendo cosila condizione di svuotamento indipendente dallo spessore del substrato madefinita solo dalla configurazione del sensore. Si possono sviluppare varie con-figurazione del sensore per ottenere le caratteristiche richieste. I sensori 3Dconservano lo spessore tipico dei rivelatori planari mentre riducono la spazia-tura tra gli elettrodi, questo porta benefici per quanto riguarda una minoredistanza di deriva per i portatori di carica e inoltre una diminuzione dellatensione di svuotamento.

Figura 1.12: 3D-DDTC

Sono stati sviluppati principalmenti due design per i rivelatori 3D; il primochiamato Full-3D che prevede elettrodi che penetrano completamente il sub-strato da un solo lato del wafer e sono sviluppati prevalentamente a Stanford10

e in parallelo dalla Sintef 11. Il secondo chiamato 3D-DDTC 12[6] prevede elet-trodi che penetrano interamente il substrato da due parti opposte del wafer eviene sviluppato da FBK13 e da CNM14. Una prima configurazione di questo

10Stanford Nano fabrication Facility, USA11Sintef, Oslo, Norway12Double-sided Double Type Column13Fondazione Bruno Kessler , Trento14Centro National Microelettronica, Barcellona, Spagna

15


tipo di sensore prevedeva una sovrapposizione non totale degli elettrodi p+ en� fermandosi a circa 200± 10µm [7]. Con il perfezionamento delle tecnichedi drogaggio del substrato si e riusciti a raggiungere una distanza massima diqualche decina di µm tra l’elettrodo e la superfice opposta del wafer. L’utilizzodi entrambi di lati del substrato permette una flessibilita maggiore nelle confi-gurazione delle colonne. Le colonne al massimo hanno un diametro di 10µm.Un’altra importante caratteristica di questo tipo di sensore e la possibilia diinstallare ai lati del sensore una Slim Edge ovvero rendere sensibile il bordo delsensore attraverso l’implementazione di elettrodi p+ per uno spessore massimodi 200µm(Figura 1.13). Il campo elettrico che si crea all’interno del sensore equindi molto influenzato dalla sovrapposizione degli elettrodi di tipo p+ e n�.Questo influisce sulla capacita del sensore di ottenenere una e�cente velocitadi raccolta di carica.

Figura 1.13: Slim Edge Figura 1.14: Vista di unasezione del sensore 3D-DDTC

Colonne di tipo n� vengono implementate dall’alto del wafer mentre co-lonne di tipo p+ dal basso (Fig 1.14). Le colonne di tipo n� vengono collegateriproducendo sulla parte superiore la tipica configurazione a pixel mentre perle colonne di tipo p+ vengono collegate insieme sul retro del wafer attraversouna deposizione superficiale uniforme di drogaggio p+ e di materiale metallico.

La distanza tra colonne dello stesso tipo varia in funzione della scelta chesi esegue sulla cella primitiva del pixel. Sono state sviluppate varie configura-zione con due (2E), tre (3E) e quattro (4E) elettrodi per cella. In Figura 1.15vengono mostrate le varie configurazioni possibile per pixel FE-I3 di dimen-sione 400⇥ 50µm. La configurazione scelta per IBL e chiamata “2E-250” [3].Questo significa che 2 elettrodi di tipo n sono usati per coprire la distanza di

16


Figura 1.15: Configurazioni del sensore per

250mm. Questa configurazione ha un distanza tra gli elettrodi di 70µm cherisulta essere un buon compromesso tra l’e�cenza del segnale (la raccolta dicarica) e l’aumento del rumore dovuto al numero di elettrodi per pixel.

1.3.3 Il circuito integrato FE-I4

Lo studio di nuovi tipi di sensori per ATLAS e accompagnato dalla rivisi-tazione del front end di lettura portando alla definizione del FE-I4 (Figura1.16)[9]. Esso verra montato sui sensori di IBL permettendo cosı di gestireuna luminosita fino a 3 volte piu alta rispetto a quella di progetto. Il frontend FE-I4 contiene 26880 canali di lettura indipendenti distribuiti in 80 co-lonne di 250µm per 336 righe di 50µm. E’ fabbricato in tecnologia CMOS130 µm. Ogni canale contiene allo stesso modo del FE-I3, un amplificato-re indipendente seguito da un discriminatore. Sia l’ampiezza del segnale siala soglia, caratteristiche dell’amplificatore e del discriminatore, sono modifi-cabili attraverso specifici registri ottimizzando e uniformando la risposta delrivelatore.

Il FE-I4 e organizzato in colonne come il precedente FE ma il sistema dilettura e molto di↵erente. Con la diminuzione del raggio del B-layer e con unaluminosita 2-3 volte piu alta rispetto a quella attuale, l’occupanza del PixelDetector aumentera significatamente. Studi e↵ettuati sul FE-I3 (Figura 1.17)hanno mostrato come questo tipo di front end non sarebbe in grado di gestirequesta mole di segnali portando sia alla perdita di dati dovuti a eventi di pile-up sia alla congestione della memoria EOC [12]. E’ stato scelto di eliminare lamemoria EOC sostituendola con una memoria all’interno di una cella formatada 4 pixel (2 ⇥ 2). All’interno di queste celle vengono immagazinati e inviatialla catena di lettura segnali piu alti di una certa soglia, questi eventi vengono

17


detti “large hit”; i segnali piu bassi di tale soglia vengono detti “small hit”.Nel caso in cui un certo pixel abbia un “large hit” nella memoria vengonoimmagazinati sia “large” sia “small” attendendo di ricevere il segnale per iltraferimento alla catena di lettura.

Figura 1.16: FE-I4

Utillizzando la memoria condivisa tra 4 pixel, si ottimizza il funzionamentodel sensore permettendo una corrente di funzionamento piu bassa rispetto alFE-I3. In Figura 1.18 e possibile paragonare le dimensione dei due tipi difront end. Si puo notare come la zona inferiore di entrambi i front end nonsia coperta da pixel: all’interno di questa zona sono implementati i circuitielettronici per il controllo e la gestione del sensore.

18


Figura 1.17: Ine�cenza del Front-End I3 a una distanza r = 5 cm in funzionedell’occupanza del rivelatore. [3]

Figura 1.18: Confronto tra il FE-I3 e il FE-I4.

19


1.4 Generazione di Segnale in un Semi-conduttore

Particelle cariche perdono energia principalmente sotto forma di ionizazione edi eccitazione atomica. La perdita di energia media (figura 1.4) di una parti-cella e funzione della densita del materiale e del rapporto momento massa15

della particella.

Figura 1.19: Perdita di Energia nel ferro per una µ in funzione di �� [13]

Per una particella con �� < 500 la perdita di energia e prevalentementeper ionizzazione. Per valori compresi di �� tra 1 e 500, la perdita di energiaper particelle cariche viene descritta dalla formula di Bethe-Bloch:

�⌧dE

dx

�= Kz2

Z

A

1

�2

1

2ln

2me

c2�2�2Tmax

I2� �2 � �(��)

2

�(1.1)

I cui termini sono definiti in tabella 1.1. Le particelle prodotte da esperimentidella fisica delle alte energie (µ, ⇡, p, b ecc.) hanno un valore di �� in que-sta regione. Una particella corrispondente al minimo di perdita di energia,hdE/dxi

min

, che si trova attorno a �� = 4 viene detta MIP16e la sua deposi-zione di energia puo essere approssimata a circa 1, 5MeV cm2/g, valore quasiindipendente dal materiale considerato. Una MIP e una buona approssimazio-ne per una vasta gamma di quantita di moto di particelle e per questo e spessousata come termine di paragone per quantificare la risposta del rivelatore.

La deposizione di energia di una particella che attraversa uno spessorefinito puo essere calcalata dalla precedente formula integrando sullo spazio

15�� = p

mc

16Minimum Ionization Particle

20


v Velocita della particella incidenteZ Carica della particella incidenteM Massa della particella incidenteE Energia della particella incidente (MeV)� v

c

, dove c e la velocita della luceZ Numero atomico del Materiale attraversatoA Massa del Materiale attraversatoZ Unita di massa atomica⇢ Densita del Materiale attraversatore

= e2/(4⇡✏0me

c2) Raggio classico dell’elettroneI Energia media di ionizazione del materialeTmax

Massima energia cinetica che puo essere immagazinatada un elettrone libero in una singola collisione

�(��) Fattore di correzione per la perdita di energia di ionizzazione

Tabella 1.1: Variabile usate nell’equazione

Figura 1.20: Funzione di dispersione di pioni da 500 MeV nel silicio.

percorso. Tuttavia per ottenere uno spettro di deposizione di energia e neces-sario considerare anche le fluttuazioni statistiche. Una trattazione completadi questo fenomeno fu eseguita da Landau e successiavamente corretta da Va-vilov ([14],[15]). La distribuzione di energia � rilasciata in uno spessore x dimateriale e data dalla funzione

1

N0

dN

d�= f(�,��, x) (1.2)

21


La perdita di energia piu probabile e :

�mp

= ⇣

ln

2me

c2�2�2

I� ln

⇣

I� j � �2 � �(��)

�(1.3)

con ⇣ = (K/2) hZ/Ai (x/�2) MeV per un rivelatore con spessore x in g cm�2.La coda della distribuzione e dovuta a collisioni con gli elettroni del rivela-

tore accompagnati da grossi trasferimenti di energia. In alcuni casi l’elettronecolpito ha energia su�ciente per percorrere parecchi micrometri prima di fer-marsi (raggi �). Questi sono particolarmente rilevanti per rivelatori a silicioin quanto causano una di↵usione delle carica su di un’area maggiore dellerisoluzione intrinseca del rivelatore.

22

Capitolo 2

Apparato Sperimentale

In questo capitolo descrivero l’apparato utilizzanto durante questa lavoro e iprincipali controlli da eseguire per verificare il funzionamento dei rivelatori.

2.1 Sistemi acquisizione dati

Per la caratterizzazione dei rivelatori sono state usate due catene di aquisizionediverse.

Figura 2.1: Rivelatore accoppiato a FE-I3 (a sinistra) e un rivelatoreaccoppiato a FE-I4(a destra).

Nel caso del rivelatore 3D accoppiato a FE-I3 e stato possibile utilizzareil programma TURBODAQ basato su una suite di sviluppo della NationalInstruments’s LabWindows. E’ stato necessario rimettere in funzione un cra-te VME per l’interfaccia con il PC e schede di elettronica chiamate TPCC eTPLL(Figura 2.2). Per la lettura del sensore 3D con FE-I4 si e invece utilizzatoun nuovo hardware sviluppato presso l’universita di Bonn chiamato USBpix(Figura 2.3). A di↵erenza della precendente catena di lettura quest’ultima

23

2.1 CAPITOLO 2. APPARATO SPERIMENTALE

risulta molto semplice da installare e piu portatile grazie all’installazione at-traverso un solo cavo USB; viene comunque richiesta la presenza di generatoridi tensione per il corretto funzionamento dell’hardware. Il software utilizzatoper l’interfaccia si chiama StControl anch’esso sviluppato presso l’Universitadi Bonn. StControl implementa librerie per la comunicazione sia con FE-I3 siaFE-I4 . La caratterizzazione di sensori equipaggiati con FE-I4 e stata possibiledall’analisi di file .root utilizzando il programma DataViewer

Figura 2.2: Catena di lettura per Turbodaq

Figura 2.3: UsbPix

Entrambi i programmi permettono la gestione delle alimentazioni necessa-rie per il funzionamento del rivelatore. In tabella sono riportati valori tipicidi funzionamento per il circuiti analogici e digitali dei due tipi di front end.

24


FE-I3 FE-I4

Tensione Corrente Tensione CorrenteVDDA 1.6V 16µA/pixel 1.2V 10µA/pixelVDD 2V 10µA/pixel 1.5V 10µA/pixel

Per il funzionamento dei rivelatori si sono quindi utilizzati due generatoridi tensione: per la gestione della parte analogica e digitale si e utilizzato unAgilent E364A, mentre per la tensione di svuotamento un Keithley 4201. Adi↵erenza dei sensori di tipo planare in cui la tensione di svuotamento persensori non irraggiati risulta essere ⇠ 70V , per sensori in tecnologia 3D questarisulta essere un ordine di grandezza inferiore. La minore distanza tra glielettrodi di (⇠ 70µm invece che 250µm) permette di arrivare a un totalesvuotamento a tensioni piu basse.

Il segnale generato dal movimento di elettroni e lacune generato dal pas-saggio di una particella nel rivelatore viene integrato da un amplificatore (VediFigure 1.8 e 1.16). L’ampiezza del segnale di carica viene cosi tradotta in un se-gnale di tensione assimilabile a un’onda triangolare (Figura 2.4). La pendenzadi salita e proporzionale alla capacita dell’anello di retroazione dell’amplifica-tore mentre la pendenza di discesa dipende dal generatore di corrente postoin parallelo alla capacita. Non tutti i segnali proveniente dal pixel vengonoletti ma solo quelli piu alti di una certa soglia. Viene definito TOT 2 il tempo,espresso in numero di cicli del clock a 40 MHz, impiegato dal segnale a ritor-nare sotto soglia. Attraverso una calibrazione si puo quindi tradurre il valoredi TOT in un corrispondente valore di carica raccolta dal sensore.

Figura 2.4: Andamento Soglia-TOT

Nelle sezioni successive andro a descrivere vari tipi di controlli che possonoessere eseguiti su di un rivelatore per verificare il suo corretto funzionamento.

1Si e utilizzato questo generatore per avere una misura accurata della corrente di buiodel rivelatore nel range dei micro-ampere

2Time Over Threshold

25


In particolare descrivero le principali procedure per fare una calibrazione delrivelatore ovvero uniformare i vari parametri caratteristici3 del chip Front Endper ottenere una misura quanto piu omogenea su tutto il rivelatore.

2.2 Curva I-V

Una prima caratterizzazione viene eseguita andando a definire la curva I-V delsensore ovvero la risposta in corrente all’applicazione di una tensione inversaai capi del sensore.

Le specifiche di corrente passante per IBL per i sensori di tipo 3D sono:

Una corrente di svuotamento I < 2µA per una tensione di Vop

� (Vdepl

+10V ) dove V

depl

e la tensione minima di svuotamento totale.

Vbd

> 25V dove Vbd

e la tensione di breakdown del sensore.

Una pendenza di salita I(Vop

)I(V

op

�5V ) < 2

Figura 2.5: Tipiche Curve I-V per sensori 3D [?]

In Figura 2.5 sono rappresentate varie curve I-V di diversi prototipi sensori3D presentati durante un meeting review di IBL. Si puo vedere che piu dellameta dedi sensori soddisfano le specifiche richieste per IBL.

3soglia, rumore, TOT ...

26


2.3 Controllo di funzionalita del chip

Per testare il funzionamento della parte analogica e digitale del front end sonodisponibili nei programmi di acquisizione degli scan che permettono la verificadella normale risposta del FE. Lo scan analogico invia al preamplificatore delFE un impulso con una fissata carica molto al di sopra della soglia cosi che ilsistema di lettura dovrebbe riportare lo stesso numero di hit per ogni pixel.Analogamente lo scan digitale invia al discriminatore del FE un segnale diuna fissata lunghezza (generalmente intorno a 50 BC). In caso di malfunzio-namento di un canale del chip e possibile mascherare attraverso un opportunoregistro del front end i pixel che non rispondono correttamente. Potrebbeinfatti acccadere che a causa di un malfunzionamento di un solo pixel l’inte-ro sensore non funzioni nel modo corretto non visualizzando in alcuno modoeventi.

2.4 Determinazione di Soglia e Rumore

Attraverso il front end e possibile simulare una raccolta di carica da parte delsensore imponendo una tensione ai capi di una capacita di iniezione. Lo scanviene fatto variando il parametro VCAL che modifica la tensione applicataalla capacita. La risposta del discriminatore e una funzione chiamata s-curve.La s-curve e descritta matematicamente da una convoluzione di una funzionea gradino e di una distribuzione gaussiana.

Phit(Q) = ⇥(Q�Q

t

)⌦ e

✓� Q

2

2�2noise

◆

=1

2�

✓Q

soglia

�Qp2 · �

noise

◆(2.1)

con

�(x) =2p⇡·Z 1

x

e�x

2dx. (2.2)

dove �(x) e nota come funzione degli errori.Da questa e possibile definire il valore della Q

soglia

ed il rumore elettronico�noise

del rivelatore.Il valor medio delle soglie viene determinato in modo grossolano da un re-

gistro globale che determina la corrente in ingresso dell’amplificatore. Questoparamentro e chiamato Gdac (5 bit) nel FE-I3, mentre nel FE-I4 ci sono 2 re-gistri chiamati VThin AltCoarse e VThin AltFine. Attraverso questi registrie quindi possibile portare il sensore nella regione di soglia desiderata per poicalibrare finimente le soglie attraverso i Tdac (Threshold-dac).

2.5 Calibrazione delle soglie

Per calibrare finimente le soglie si utilizza un registro chiamato Tdac (7 bit perentrambi i FE). Per definire lo spostamento in mV corrispondente a una Tdacsi utilizzano dei registri chiamati Trimt (per FE-I3 ) e TdacVbp (per FE-I4 ) .

27


Figura 2.6: S-Curve

Il Tdac Tuning esegue scan di soglia al variare di questo parametro caricandopoi nella configurazione i valori trovati per i singoli pixel. La procedura dicalibrazione per il FE-I3 prevede l’analisi di tutti i valori di Tdac disponibileassegnando a ogni pixel il valore corrispondente alla soglia desiderata. Per ilFE-I4 viene invece eseguita una ricerca binaria del valore di Tdac permettendocosi di minimizzare il numero di step necessari per la determinazione del valorecorretto.

2.6 Aggiustamento del TOT

Un altra calibrazione molto importante e quella che permette di uniformarela risposta del rivelatore in TOT . L’ampiezza del segnale di TOT dipendedalla pendenza di discesa del segnale analogico; una calibrazione grossolanadel TOT viene e↵ettuata modificando la corrente di feedback del sensore (IFper FE-I3 , PlrVbp per il FE-I4)

Al contrario della calibrazione delle soglie vi e una di↵erenza tra il numerodi bit dedicati a TOT del FE-I3 rispetto a FE-I4. Nel FE-I3 il TOT e a 8bit permettendo quindi valori da 0 a 255 mentre per il FE-I4 i bit sono statiridotti a 4 con valori da 0 a 15.

In Figura 2.7 vengono paragonate le distribuzioni di TOT per l’elettronicaFE-I3 del Pixel Detector e l’elettronica FE-I4 di IBL. Siccome per la maggioreparte degli eventi la carica e distribuita su piu pixel, la distribuzione di TOTe dominata da valori bassi. La spalla a TOT = 20 per FE-I3 e TOT = 9per FE-I4 corrisponde a un singolo hit nel quale tutta la carica di una MIP

28


Figura 2.7: Distribuzione individuale di TOT per FE-I3 B-layer (a sinistra)e FE-I4 IBL (a destra) [3]

viene raccolta da un singolo pixel. A causa della limitata disponibilita di bitper immagazinare informazione del FE-I4 tutti gli hit con TOT>13 vengonomessi tutti in un unico bin. Questa scelta e stata presa perche segnali alti diTOT corrispondono a perdita di energia corrispondenti a �-rays nel silicio equindi non portano informazioni sul passaggio della particella ma peggioranola risoluzione delle tracce.

La calibrazione da TOT a carica nel FE-I3 viene eseguita andando a fissarei parametri A,B,C dalla formula:

TOT (Q) = A+B

Q+ C(2.3)

conA ⇠ 102 , B ⇠ �106 , C ⇠ 104 (2.4)

Per una MIP in 200 µm si calibra una raccolta di carica pari a circa 20kelettroni. Questa funzione e lineare per valori di TOT > 5 presentando inveceun cuspide in zero. La conversione per bassi valori di TOT risulta moltoinfluenzata dalla calibrazione mostrando quindi grandi di↵erenze di raccoltadi carica per pixel diversi.

2.7 Acquisizione dati con sorgente

I rivelatori a pixel sono studiati per risalire dalla carica depositata sul sensorealla traiettoria delle particelle. E’ possibile eseguire queste misure utilizzandofasci collimati (chiamati Test Beam) di particelle e↵ettuando cosı uno studioapprofondito di e�cienza del sensore con risoluzione di qualche µm. Utiliz-zando sorgenti radioattive si puo caratterizzare il sensore per quanto riguardal’uniformita di raccolta di carica e e↵ettuare un controllo sulla stabilita delleconfigurazioni di soglia e rumore. Nel FE e prevista la possibilita di formareun segnale digitale dato dall’OR di tutte le celle attivate. Questo segnale,denominato hitbus, puo venire utilizzato come segnale di trigger per l’acquisi-zione di dati in assenza di trigger esterno. I primi scan di sorgente, anche con

29


pochi eventi, sono necessari per mascherare sia i pixel rumorosi sia alcuni pixeldifettosi che bloccano il segnale di hitbus. In una configurazione self-trigger,il signale di hitbus viene utilizzato come segnale di trigger per il trasferimentodei dati raccolti nella memoria del chip verso il sistema di read-out. E’ possibi-le cosi ottenere un evento composto da una finestra costituita da sedici LVL1trigger. Attraverso opportune scelte del ritardo e possbile diminuire questafinestra diminuendo cosi i dati trasmessi e permettendo una eleborazione piurapida.

Ho analizzato i dati raccolti con due sorgenti, 90Sr e 241Am. Il primodecade � dando elettroni con uno spettro continuo ed end-point a 0.54 MeV.Invece 241Am decade ↵, e dalla sorgente sigillata escono gli X del Np, conun’energia di 59.5 keV. Questa sorgente e molto di↵usa per la calibrazione dirivelatori a silicio perche rilascia in un rivelatore di 200 µm un’energia similea quella di una MIP.

Per e↵ettuare acquisizione di dati irraggiando il sensore con sorgenti radiat-tive si e utilizzato una camera termostatata nella quale era possibile spostareun carrello per il posizionamento ottimale della sorgente al di sopra del sen-sore. Per mantenere stabile la temperatura di operazione ed evitare e↵etti dideriva termica, si e utilizzato un Vortex comunicante con la camera. Il Vortexe un dispositivo che consente di separare aria ad alta pressione in due gettidistinti, caratterizzati da una notevole di↵erenza di temperatura.

Figura 2.8: Funzionamento del Vortex Tube

30

Capitolo 3

Analisi Dati

In questo capitolo analizzero i risultati da me ottenuti caratterizzando rivelato-ri a pixel di silicio. Una prima analisi e stata fatto su un rivelatore accoppiatoa FE-I3 rimettendo in funzione la catena di lettura utilizzata durante la fasedi caratterizzazione del presente Pixel Detector di Atlas. Si e avuto poi adisposizione due rivelatori 3D accoppiati a FE-I4 permettendo una loro carat-terizzazione attraverso l’installazione di una nuova catena di lettura. I sensori3D studiati durante questo lavoro sono stati prodotti dalla Fondazione BrunoKessler (FBK) di Trento. La ditta FBK ha sviluppato diversi prototipi, mi-gliorando la tecnologia per l’impiantazione delle colonne, fino ad ottenere deisensori che soddisfano le specifiche per IBL.

Infine, nei giorni di consegna della tesi, si e potuto eseguire una primacaratterizzazione del funzionamento di un sensore planare accoppiato con FE-I4, i cui dati sono mostrati in appendice.

FE Spessore Profondita Commentidel wafer [µm] delle colonne

ATLAS07 I4 230p > 210µm

Con Slim Edgen ⇠ 230µm

ATLAS 08 I3 200 ⇠ 200ATLAS 09 I4 200 ⇠ 200 Con Slim Edge

Tabella 3.1: Caratteristiche dei wafer da cui provengono i sensori caratterizzati

3.1 3D FBK ATLAS08 FE-I3

Il primo sensore che ho caratterizzato appartiene al lotto di produzione ATLAS08,e accoppiato ad un FE-I3 ed e stato caratterizzato attraverso l’utilizzo delprogramma TurboDaq attraverso la catena di lettura di Figura 2.2.

La configurazione delle colonne per questo rivelatore e 3E-400 ovvero 3colonne n per coprire la lunghezza dei pixel di 400µm. In basso a Figura 3.1 si

31

3.1 CAPITOLO 3. ANALISI DATI

Figura 3.1: Configurazione degli elettrodi 3E-400

vede la configurazione delle colonne per pixel accoppiati a FE-I3 ;in particolarenella riga piu in alto invece e mostrata la strutture dei pixel long che copronola regione scoperta tra due front-end.

3.1.1 Curva I-V

Una prima analisi per il funzionamento del rivelatore prevede la caratterizza-zione della curva corrente-tensione del sensore (Figura 3.2). Possiamo osser-vare come questo sensore abbia una corrente di buio molto alta arrivando aun valore di 2 µA gia a una tensione di 8 V .

HV2 4 6 8 10 12 14 16

Cor

rent

e (m

icro

Am

pere

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

I-V

Figura 3.2: I-V Scan

32


3.1.2 Comportamento del sensore

Prima del tuning il sensore aveva una valore tipico di soglia di 4081±585 e� (per un valore di Gdac 14) dove l’errore indicato e la dispersione sulle soglie conun rumore medio di 231 e�. E↵ettuando una calibrazione di soglia a 4000 e� sie caratterizzato l’andamento della soglia e del rumore in funzione della tensionedi svuotamento ottenendo una dispersione delle soglie di circa 200 elettroni peruna tensione su�ciente al totale svuotamento del sensore (Figure 3.3 e 3.4 ).Diminuendo la tensione il rumore aumenta poiche il sensore non risulta esserepiu totalmente svuotato e quindi non si trova piu nelle condizione ottimali difunzionamento.

HV2 4 6 8 10 12 14 16

Thre

shol

d

4050

4100

4150

4200

4250

4300

4350

4400

4450

Threshold Vs HV

Figura 3.3: Soglia in funzione dellatensione di svuotamento

HV2 4 6 8 10 12 14 16

Noi

se

250

300

350

400

450

500

Noise Vs HV

Figura 3.4: Rumore in funzionedella tensione di svuotamento

Portandoci nelle condizione di svuotamento totale ad una tensione di 9Vho caratterizzato il comportamento del sensore al variare del registro globaledi soglia ottenendo gli andamenti di Figura 3.5 e 3.6.

Gdac6 8 10 12 14

Thre

shol

d

2000

2500

3000

3500

4000

Threshold Vs Gdac

Figura 3.5: Soglia in funzione diGdac

Gdac6 8 10 12 14

Noi

se

0

50

100

150

200

250

300

Noise Vs Gdac

Figura 3.6: Rumore in funzione diGdac

Il rumore e stabile in un ampio range di Gdac mostrando come sia possibileconfigurare il rivelatore fino al valore di soglia di 2000 e� mentre con FE-I3 ,

33


accoppiati a sensori planari nella versione installata nel rivelatore in Atlas, lasoglia minima configurabile e 3000 e�.

3.1.3 Aquisizione dati con sorgenti

Sono stati poi e↵ettuati scan di sorgente con 90Sr e con 241Am dopo averconfigurato un valore di soglia di 3523± 70 e� con rumore medio di 200 e�.

Non essendo possibile eseguire una analisi degli eventi dai grafici prove-nienti da TurboDaq si e sfruttata la possibilita di scrivere i file raw ovverofile contenenti tutte le informazione per la ricostruzione degli eventi raccoltidurante l’acquisizione. In Tabella 3.2 viene mostrato un evento caratterizzatoda 3 pixel colpiti in due LVL1 diversi.

Raw data: 0x2f0118002 2 240 0 0 50 ) End-of-Event LVL1=1Raw data: 0x3f0198003 3 240 0 0 51 ) End-of-Event LVL1=2Raw data: 0x412507804 10 18 0 0 15 ) x=10, y=18, tot=15, LVL1=3Raw data: 0x4f0218004 4 240 0 0 52 ) End-of-Event LVL1=3Raw data: 0x511503005 10 17 0 0 6 ) x=10, y=17, tot=6, LVL1=4Raw data: 0x512583005 11 18 0 0 6 ) x=11, y=18, tot=6, LVL1=4Raw data: 0x5f0298005 5 240 0 0 53 ) End-of-Event LVL1=4Raw data: 0x6f0318006 6 240 0 0 54 ) End-of-Event LVL1=5Raw data: 0x7f0398007 7 240 0 0 55 ) End-of-Event LVL1=6

Tabella 3.2: File Raw TurboDaq

I primo numero viene utilizzato come clock del sistema per manteneresincronizzata la lettura dei dati. Anche il secondo numero e un clock nel casoin cui quella riga non rappresenti un dato reale: un 240 nella terza colonnarappresenta un End-of-Event1 ovvero la fine di trasmissione dati riguardantequel preciso LVL1. Un dato reale puo essere quindi riconosciuto dall’assenzada un EOE (un 240 nella terza colonna). Le coordinate del pixel colpito sonocontenute nella seconda e nella terza colonna mentre il valore di TOT vienedato nell’ultima. La decodifica e l’analisi dei file raw e stata eseguita attraversoun programma C++ da me scritto. I grafici vengono mostrati non in funzionedel TOT ma direttamente convertiti in carica raccolta (vedi Equazione 2.3).

1EOE

34


Si e deciso di non considerare i contributi dovuti a valori di TOT minori di 3poiche in questa regione la formula per la conversione in carica (Eq 2.3) nonrisulta essere lineare.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

02

46

810

1214

1618

05

10152025303540

610×

Q Per PixelEntries 5684106Mean x 77.49Mean y 8.45RMS x 44.42RMS y 5.312

Q Per PixelEntries 5684106Mean x 77.49Mean y 8.45RMS x 44.42RMS y 5.312

t0t

Figura 3.7: Mappa Carica Raccolta con 90Sr

Distribuzione di QEntries 5684106Mean 9127RMS 5649

0 5000 10000 15000 20000 25000 300000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

310×


t0t

Figura 3.8: Distribuzione di caricaraccolta per 90Sr


2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000

5000

10000

15000

20000

25000


t0t

Figura 3.9: Distribuzione di caricaraccolta per 241Am

In figura 3.7 e possibile vedere la mappa della carica raccolta dal sensoreirraggiato con 90Sr. La colonna zero e diciotto mostrano una raccolta di caricamaggiore rispetto al resto del rivelatore. Questo e dovuto alla loro dimesionemaggiore 2.

Dai dati raccolti e stato possibile ottenere lo spettro di energia raccolto du-rante acquisizioni con 90Sr (Figura 3.8) e 241Am(Figura 3.9). Si puo notare la

2Sono infatti pixel long con dimensione 600x50µm

35


Q Medio Per PixelEntries 2783Mean 9470RMS 1069

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100

120

140

Q Medio Per PixelEntries 2783Mean 9470RMS 1069

t0t

Figura 3.10: Distribuzione di carica media in ogni pixel da 241Am

presenza di due picchi nello spettro dell’241Am mentre se ne attenderebbe unosolo. Dalle distribuzione della carica media raccolta (Figura 3.10) si e messo inevidenza la presenza di due classi di pixel. Dalla Figura 3.11 si vede che questipixel sono distribuiti casualmente sul rivelatore. Misure approfondite fatte suisensori presso FBK hanno mostrato che il problema e dovuto a imperfezionesul collegamento tra il front end e il sensore provocando la presenza di altaresistenza in serie ad alcuni pixel. Dalla distribuzione di Figura 3.10 e statopossibile separare i pixel delle due classi.

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Figura 3.11: Mappa Q Medio con 90Sr

Per ricondursi a uno spettro tipico per l’241Am si e deciso di applicareuna trasformazione che portasse il picco ad energia minore dell’241Am a so-vrapporsi con il secondo. Si e osservato come una semplice proporzionalitanon permettesse una ricostruzione ragionevole dello spettro. Va tenuto contoanche dell’e↵etto sulla raccolta di carica dato dalla soglia a cui e calibratoil rivelatore. Estraendo i valori di carica media e di carica corrispondente al

36


Q per pixel primo piccoEntries 256547Mean 8700RMS 2756

/ ndf 2χ 457.6 / 4Constant 8.315e+001± 1.975e+004 Mean 3.914e+000± 1.101e+004 Sigma 3.5± 657.8

5000 10000 15000 20000 250000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000



t0tg Q per pixel secondo piccoEntries 267096Mean 1.058e+004RMS 3797


5000 10000 15000 20000 250000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Q per pixel secondo piccoEntries 267096Mean 1.058e+004RMS 3797


t0tg


/ ndf 2χ 1.528e+004 / 69Constant 5.917e+002± 5.963e+005 MPV 3.5± 4886 Sigma 1.7± 1507

5000 10000 15000 20000 250000

20

40

60

80

100

120

310×



t0tg

Q per pixel secondo piccoEntries 3020874Mean 9077RMS 5058


5000 10000 15000 20000 250000

20

40

60

80

100

310×

Q per pixel secondo piccoEntries 3020874Mean 9077RMS 5058


t0tg

Figura 3.12: Spettro di energia per 241Am (in alto) e 90Sr (in basso) per ledue classi di pixel.

picco dell’241Am della Figura 3.12 si sono ottenuti i valori di Tabella 3.3:

Primo Picco [e�] Secondo Picco [e�]Carica Media 8542 10536Picco Am 10946 14225

Tabella 3.3: Valori utilizzati per calcolare la legge di proporzionalita Eq. 3.1

Da questi valori si e eseguito un fit lineare si e ottenuta la seguente leggedi trasformanzione.

Q1 = Q ⇤ 1, 53� 2572 (3.1)

La pendenza della retta indica una correzione maggiore del cinquanta percentoche poi viene compensanta per bassi valori di carica dal termine costanteattribuibili ad un o↵set delle soglie. Si sono cosı potuti ottenere gli spettri dicarica raccolta dell’241Am e dello 90Sr (Figure 3.13 e 3.14).

Distribuzione di Q correttoEntries 512434Mean 1.064e+004RMS 4101

/ ndf 2χ 810 / 10Constant 8.330e+001± 2.949e+004 Mean 3.318e+000± 1.424e+004 Sigma 2.6± 883.1

0 5000 10000 15000 20000 25000 300000

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Distribuzione di Q correttoEntries 512434Mean 1.064e+004RMS 4101

/ ndf 2χ 810 / 10Constant 8.330e+001± 2.949e+004 Mean 3.318e+000± 1.424e+004 Sigma 2.6± 883.1

Distribuzione di Carica Am241

Figura 3.13: Raccolta di carica per241Am dopo la correzione


0 5000 10000 15000 20000 25000 300000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

310×


Distribuzione di carica Sr90

Figura 3.14: Raccolta di carica per90Sr dopo la correzione

37


Si e deciso di implementare nel programma di analisi dati la possibilitadi eseguire il clustering degli eventi. Succede infatti che, soprattutto per glielettroni del decadimento �e con probabilita minore per il fotone dell 241Am, nel rivelatore venga lasciata una energia su piu pixel. Sommando tutta lacarica rilasciata durante un evento (vedi Tabella 3.4) si ottiene cosi la caricatotale e↵ettivamente rilasciata da quella particella durante la sua interazionecon il sensore. Si sono cosi ottenuti gli spettri di raccolta di carica di Figura3.15 e 3.16.

Somma Cluster per Evento CorrettoEntries 468478Mean 1.18e+004RMS 3597


0 5000 10000 15000 20000 25000 300000

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Somma Cluster per Evento CorrettoEntries 468478Mean 1.18e+004RMS 3597


Cluster di Carica Am241

Figura 3.15: Raccolta di carica per241Am con Clustering

/ ndf 2χ 942.5 / 56

Constant 1.850e+002± 1.117e+005

MPV 1.075e+001± 1.476e+004

Sigma 10.2± 3588

0 10000 20000 30000 40000 50000 600000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

/ ndf 2χ 942.5 / 56

Constant 1.850e+002± 1.117e+005

MPV 1.075e+001± 1.476e+004

Sigma 10.2± 3588

Cluster di carica Sr90

Figura 3.16: Raccolta di carica per90Sr con Clustering

241Am 90Sr

Mean [e�] Sigma [e�] MPV [e�] Sigma [e�]No Clustering 14241 883 5400 2044Clustering 14282 842 14782 3688

Tabella 3.4: Valori ottenuti dai Fit delle figure precendenti

Si puo osservare come, e↵ettuato il clustering,nel picco dell’241Am aumentiil numero di ingressi mentre la posizione del picco non cambi; si recuperanocosı gli eventi nel quale la carica rilasciata dal fotone viene raccolta da pixeldi↵erenti. Una situazione molto diversa avviene nell’interazione del � dello90Sr. Possono infatti avvenire interazione con elettroni molto poco ortogonalialla superficie che lasciano nel rivelatore delle traccie che vanno a colpire finoa 10-12 pixel. La raccolta di carica cosı risulta essere molto grande anchefino a 100k elettroni formando cosi la coda molto popolata per valori di caricamaggiore di 25k e� , che e quella media attesa per una particella incidenteperpendicolarmente sul sensore. L’interazione dell’elettrone con il silicio puoprovocare l’emissione di un �-rays molto energetico che si ferma nel rivelatoredepositando tutta la sua energia.

38



Il secondo sensore 3D analizzato proviene dal lotto chiamato ATLAS07 acco-piato a FE-I4. La configurazione per questo tipi di sensore e 2E-250 (Figura3.17).

Figura 3.17: Configurazione degli elettrodi 2E-250

Dai primi scan di controllo del funzionamento del chip ci si e accorti dialcuni difetti. E↵ettuando una misura della corrente di svuotamento si e po-tuto osservare come questa sia molto alta raggiungendo valori di 4µA per unatensione di 1 V quando per sensori 3D si ci aspetta una corrente minore di2µA per tensione di ⇠ 20-25 V. Dallo scan digitale di Figura 3.18 si puo no-tare la presenza di alto a sinistra di un gra�o evidenziato dalla presenza dipixel ine�cienti, che presentano un numero di hit osservati minore di quelliiniettai (in colore scuro) o rumorosi, che presentano un numero di hit osservatimaggiore di quelli iniettati (in colore chiaro). Ulteriori difetti del sensore sipossono notare dalla mappa di rumore di Figura 3.19. Si evidenziano ulteriorigra� su tutto il sensore e una zona particolarmente poco rumorosa sulla si-nistra. Analizzando scan di sorgente si e pero osservato l’assenza di raccoltadi carica di tutta la zona a sinistra (Figura 3.20), mentre si puo ipotizzare unbuon comportamento della restante parte del rivelatore. Il difetto della zonaa sinistra e spiegabile con il mancato collegamento tra il sensore e il front enddovuti a bump-bonding difettosi, infatti in tal caso l’elettronica di lettura,non avendo il carico capacitivo del sensore, presenta un rumore elettronicoparticolarmente basso. I gra� sono probabilmente dovuti a errori di manipo-lazione durante la fabbricazione dei sensori oppure a errori accidentali durantela fase di posizionamento (Flip Chip) del FE al di sopra del sensore.Siccomele prime misure su questo sensore hanno evidenziato tali difetti, ho deciso,avendo a disposizione un terzo rivelatore 3D senza particolari imperfezioni, diconcentrarmi sullo studio di quest’ultimo.

39


Figura 3.18: Digital Scan Figura 3.19: Noise Pretuning

Figura 3.20: Mappa 241Am

SOURCE_SCAN 9.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140

310×

ToT mod 0 bin 0

Figura 3.21: Spettro Energia 241AmSoglia 3200 e�

40



In questa sezione andro ad analizzare un sensore 3D letto attraverso FE-I4proveniente dal lotto di sensori ATLAS09. La configurazione delle colonne perquesto sensore e 2E-250 (Figura 3.17) con distanza minima tra gli elettrodidi 70µm. A causa di imperfezioni nella produzione del chip di front end sonostate disabilitate le colonne 0,1,76,77,78 e 79.

3.3.1 Curva I-V

HV0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Cor

rent

e (m

icro

Am

pere

)

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

22.22.4

I-V Curve

Figura 3.22: Corrente in funzione della tensione di svuotamento

In Figura 3.22 e stata riprodotta la curva I-V. Rispetto alla curva di Figura3.2, questo sensore mostra un andamento quasi esponenziale nella crescita dellacorrente e non mostra un appiattimento anche debole a cui si puo attribuire ilcompleto svuotamento del sensore. Si e quindi deciso di caratterizzare questorivelatore con una tensione di svuotamento di 17V.

3.3.2 Tuning Soglie

Pre Tuning

Partendo dalla configurazione senza tuning di Figura 3.23 e 3.24, dove si mo-stra come la distribuzione delle soglie abbia una dispersione molto grande, sie graficato la soglia e il rumore in funzione della tensione di svuotamento.In Figura 3.26 si osserva un aumento del rumore al diminuire della tensione:questo e causato dall’aumento della capacita dovute al mancato svuotamentototale del sensore. In Figura 3.25 si puo vedere invece ccome la soglia vada amodificarsi verso il basso al diminuire della tensione.

41


SCURVE_MEAN: THRESHOLD_SCAN_17V.Module "FEI4"

"Channel" = row+336*column+26880*chip0 5000 10000 15000 20000 250000

5001000150020002500300035004000

Column0 10 20 30 40 50 60 70

Row

0

50

100

150

200

250

300

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Threshold mod 0 chip 0

Constant 1047Mean 2124Sigma 373.6

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

200

400

600

800

1000


Figura 3.23: Soglia prima del tuningFigura 3.24: Rumore prima deltuning

HV0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Thre

shol

d

1600

1800

2000

2200

2400

2600

Threshold vs Voltage

Figura 3.25: Soglia in funzione dellatensione di svuotamento

HV0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Noi

se

140

150

160

170

180

190

200

Noise vs Voltage

Figura 3.26: Rumore in funzionedella tensione di svuotamento

42


3.3.3 Tuning 2000 e�

Partendo dalla configurazione precedente si e e↵ettuata un calibrazione finedelle soglie a una valore di 2000e� imponendo un valore di 8TOT per 20ke�

per poi caratterizzare il rivelatore utilizzando 90Sr e 241Am.SCURVE_MEAN: th scan 2.Module "FEI4"

Column0 10 20 30 40 50 60 70

Row

0

50

100

150

200

250

300

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000



1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

1000

2000

3000

4000

5000

6000



1500

2000

2500

3000

3500

4000

Figura 3.27: Tuning delle soglie

SCURVE_SIGMA: th scan 2.Module "FEI4"

Constant 3779Mean 151.9Sigma 12.71

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

500100015002000250030003500


Column0 10 20 30 40 50 60 70

Row

0

50

100

150

200

250

300

050100150200250300350400450500

Noise mod 0 chip 0


50100150200250300350400450500

Figura 3.28: RumoreTOT_MEAN: ToT verif 3.Module "FEI4"


0 2 4 6 8 10

2000

4000

6000

8000

10000

12000


Column0 10 20 30 40 50 60 70

Row

0

50

100

150

200

250

300

0

2

4

6

8

10

ToTMean mod 0 bin 0 chip 0


2

4

6

8

10

Figura 3.29: TOT

Dal confronto tra 3.23 e 3.27 si osserva come il tuning delle soglie diminui-sca la dispersione in larghezza della gaussiana portando una sigma di 370 e�

a soli 40 e�. Sono stati poi e↵ettuati scan di sorgente con 241Am e 90Sr . Perridurre la dimensione del file di dati si e deciso di limitare un evento a soli 4lvl1 per evento.

43

3.3 CAPITOLO 3. ANALISI DATISOURCE_SCAN 2.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200310×

ToT mod 0 bin 0

Figura 3.30: TOT 241Am Soglia2000 e�(4 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200310×

Cluster-seed ToT mod 0 bin 0

Figura 3.31: Seed TOT 241AmSoglia 2000 e� (4 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200

1400310×

Cluster ToT mod 0 bin 0

Figura 3.32: Cluster TOT 241AmSoglia 2000 e� (4 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

500

1000

1500

2000

2500

310×LVL1 mod 0 bin 0

Figura 3.33: Struttura Lvl1 Soglia2000 e� (4 · 106 Eventi)

In figura 3.30 e rappresentato lo spettro di energia per 241Am per unaacquisizione di 4 · 106 eventi. Si osserva un picco a TOT 6 corrispondenteall’assorbimento del fotone emesso dall’241Am. A fianco (in Figura 3.31) erappresentato il cluster seed TOT ovvero lo spettro di energia in cui vieniinserito nell’istogramma solo il valore piu alto di TOT per ogni cluster. Il seed(“seme”) viene utilizzato per la determinazione del pixel piu interessante in uncluster da questo poi si individua la carica rilasciata dalla stessa particella neipixel adiacenti per risalire alla carica totale persa. Il valore di TOT del clusterviene riportato nella Figura (3.33). Si osserva una aumento degli ingressi pervalore di TOT 6. In questo caso il clustering non aiuta molto la risoluzionedelle spettro di energia dell’241Am in quanto il rilascio di energia avviene gia

44


principalmente in un solo pixel (Figura 3.38).Molto di↵erenti sono invece gli spettri di TOT per acquisizione con 90Sr.SOURCE_SCAN.

Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500310×

ToT mod 0 bin 0

Figura 3.34: TOT 90Sr Soglia 2000e� (4 · 106 Eventi)

SOURCE_SCAN.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

310×Cluster-seed ToT mod 0 bin 0

Figura 3.35: Seed TOT 90Sr Soglia2000 e�(4 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200

1400

310×


Figura 3.36: Cluster TOT 90SrSoglia 2000 e� (4 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12610×

LVL1 mod 0 bin 0

Figura 3.37: Struttura Lvl1 90SrSoglia 2000 e� (4 · 106 Eventi)

In questo caso lo spettro e molto influenzato dalle fluttuazione statistichedi rilascio di energia e dalla separazione della raccolta di carica in piu pixel. Ilclustering aiuta nella ricostruzione dello spettro portando alla comparsa di unpicco a TOT ⇠ 8 corrispondente all’energia rilasciata in media dall’elettroneemesso da 90Sr. I segnali a TOT 15 sono invece segnale di overflow corri-spondente ad ampiezze di segnale troppo alti provocati dalle fluttuazioni diLandau dell’energia depositata nel sensore. In Figura 3.38 e 3.39 viene ripor-

45

3.3 CAPITOLO 3. ANALISI DATISOURCE_SCAN 2.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500310×

Cluster size mod 0 bin 0

Figura 3.38: Cluster Size 241AmSoglia 2000 e�


0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200

310×


Figura 3.39: Cluster Size 90SrSoglia 2000 e�

tata la distribuzione della dimensione dei cluster per le aquisizione con 241Ame 90Sr. Si puo notare come il numero di pixel collegabili a uno stesso clusteraumenti molto nel caso di irraggiamento da 90Sr.

3.3.4 Tuning 3200 e�

Si e quindi voluto verificare il comportamento del sensore alzando la soglia aun valore di 3200 e� per verificare la correlazione della soglia con il registroglobale (VThin AltFine).

Si puo osservare (Figura 3.40) un cambiamento piu lineare della soglia infunzione di VThin AltFine rispetto a quello che succedeva per il Gdac delFE-I3 (Figura 3.5). Si osserva come nel range di VThin AltFine consideratoil rumore non sia correlato alla variazione di soglia (Figura 3.42) come invecesuccedeva per il FE-I3 (Figura 3.6). Considerando un andamento lineare delTOT in funzione della carica raccolta possiamo attribuire nella configurazionecon soglia a 2000 e� all’unita di TOT un segnale di carica pari a ⇠ 2200e�.Questo spiega la correlazione tra il valore di soglia e il valore di TOT di Figura3.43.

Per e↵ettuare acquisizione con sorgenti e stato quindi necessario ricalibra-re la raccolta di carica a un valore di 8 TOT per 20ke� mentre per quantoriguarda la calibrazione delle soglie si e preferito mantenere la configurazionecorrente. Di seguito sono riportate i grafici per acquisizione con 241Am e 90Sr(Figure 3.44 - 3.51). Dal confronto con le acquisizione raccolte con un valoredi soglia di 2000e� si osserva comportamento del tutto analogo al precedente.Successivamente si e deciso di lasciare il sensore nella configurazione di rac-colta dati durante un’intera notte mantenendo la configurazione self-trigger.Dalle distribuzioni ottenute e possibile supporre come gli eventi osservati sia-

46


Vthin_AtlFine100 110 120 130 140 150 160

Thre

shol

d

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Threshold vs VThin_AltFine

Figura 3.40: Soglia in funzione diVthin AltFine

VThin_AltFine100 110 120 130 140 150 160

TOT

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

TOT vs VThin_AltFine

Figura 3.41: TOT in funzione diVthin AltFine

Vthin_AltFine100 110 120 130 140 150 160

Noi

se

0

50

100

150

200

250

Noise vs VThin_AltFine

Figura 3.42: Rumore in funzione diVthin AltFine

Threshold2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

TOT

6.8

7

7.2

7.4

7.6

7.8

8

8.2

TOT vs Threshold (Changing VThin_AltFine)

Figura 3.43: TOT in funzione dellasoglia (Cambiano VThin AltFine)

no attribuibili a raggi cosmici che attraversano il sensore poiche dallo spettroottenuto dal cluster degli eventi e possibile osservare un andamento simile aquello osservato con eventi da 90Sr . Per scan senza sorgente va considerataanche la possibilita che degli eventi possano essere attribuibile a hit di rumorenel sensore. Andando a eseguire uno scan di 1 · 109 trigger random si e otte-nuta risposta solo in 25 hit per ora. Si ottiene cosi la probabilita di avere hitdi rumore di 10�10 tale livello di rumore e comparabile con quello osservatonell’operazione dell’attuale Pixel Detector in ATLAS.

47


SOURCE_SCAN_3000.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

310×ToT mod 0 bin 0

Figura 3.44: TOT 241Am Soglia3200 e� (1 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300


Figura 3.45: Seed TOT 241AmSoglia 3200 e� (1 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

350310×


Figura 3.46: Cluster TOT 241AmSoglia 3200 e� (1 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

700310×

LVL1 mod 0 bin 0

Figura 3.47: Struttura Lvl1 241AmSoglia 3200 e� (1 · 106 Eventi)

48


SOURCE_SCAN_Sr90_3000.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

310×ToT mod 0 bin 0

Figura 3.48: TOT 90Sr Soglia 3200e� (2 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 14020406080

100120140160180200220


Figura 3.49: Seed TOT 90Sr Soglia3200 e� (2 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

310×Cluster ToT mod 0 bin 0

Figura 3.50: Cluster TOT 90SrSoglia 3200 e� (2 · 106 Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

310×

LVL1 mod 0 bin 0

Figura 3.51: Struttura Lvl1 90SrSoglia 3200 e� (2 · 106 Eventi)

49


SOURCE_SCAN_Cosmic_3000.Module "FEI4"

0 2 4 6 8 10 12 140

1000

2000

3000

4000

5000

6000

ToT mod 0 bin 0

Figura 3.52: TOT Scan senzasorgente Soglia 3200 e� (12k Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

1200

1400

Cluster-seed ToT mod 0 bin 0

Figura 3.53: Seed TOT Scan senzasorgente Soglia 3200 e� (12k Eventi)


0 2 4 6 8 10 12 14200400600800

100012001400160018002000


Figura 3.54: Cluster TOT Scan sen-za sorgente Soglia 3200 e� (12kEventi)


0 2 4 6 8 10 12 140

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

LVL1 mod 0 bin 0

Figura 3.55: Struttura Lvl1 Scansenza sorgente Soglia 3200 e� (12kEventi)

50



0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

700

800

900310×


Figura 3.56: Cluster Size 241AmSoglia 3200 e�


0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

310×


Figura 3.57: Cluster Size 90SrSoglia 3200 e�


0 2 4 6 8 10 12 140

1000

2000

3000

4000

5000


Figura 3.58: Cluster Size Scan senzasorgente Soglia 3200 e�

51

Conclusioni

In conclusione, il mio lavoro di tesi ha permesso di attrezzare presso il labo-ratoro Pixel di Atlas la catena di lettura UsbPix per i moduli di IBL formatida nuovi tipi di rivelatori a pixel di Silicio (3D e planari) e da un nuovo tipodi front-end FE-I4, in tecnologia CMOS 130µm, resistente alle radiazioni, conpiu di 25 mila canali di lettura indipendenti. Inoltre ho definito le caratte-ristiche e le procedure iniziali per i test di questi rivelatori attraverso anchel’utlilizzo di sorgenti radioattive.

Le misure da me e↵ettuate mostrano che e possibile configurare questi ri-velatori fino a valori di soglia di 2000 e� mantenendo un livello di occupancydi 10�10 con una buona uniformita di raccolta di carica su tutta la superfi-cie. Studi paralleli su altri campioni di pixel 3D svolti su fasci di test, hannomostrato adeguati livelli di raccolta di carica e risoluzione spaziale per questirivelatori, conformi alle specifiche di progetto. Prospettive future per questolavoro sono lo studio dei rivelatori con bump bonding a indio, la loro carat-terizzazione sistematica per una studio su base statistica delle loro proprieta’e la definizione delle procedure di test e di accettanza per il loro successivomontaggio in IBL.

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Appendice A

Rivelatore Planare

Ho potuto verificare il funzionamento anche del primo sensore planare collegatoa FE-I4 tramite bump-bondig con sfere di Indio. Tale processo e sviluppato daricercatori INFN di Milano con la ditta Selex di Roma. Pur avendo poco tempoda dedicare all’analisi di questo rivelatore, ho voluto fare almeno un’analisipreliminare delle sue proprieta, proprio perche era il primo prototipo con bumpbonding di Indio. E’ stato possibile verificare il buon funzionamento dell’interorivelatore sia per quanto riguarda una calibrazione di soglia e di rumore siaper quanto riguarda acquisizione con 241Am . In Figura vengono riportati igrafici di soglia e noise della calibrazione a 3200 e� ( Figure A.1, A.2). InFigura A.3 e A.4 vengono riportati la mappa di occupanza per acquisizionecon 241Am e il cluster TOT .SCURVE_MEAN: th scan 2.

Module "FEI4"

Column0 10 20 30 40 50 60 70

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0

50

100

150

200

250

300

2000

2200

2400

26002800

3000

3200

3400

3600

3800

4000



2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

500100015002000250030003500



2200240026002800300032003400360038004000

Figura A.1: Calibrazione Sogliaa 3200 e�

SCURVE_SIGMA: th scan 2.Module "FEI4"

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0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

150200

250

300

350

400

450

500

Noise mod 0 chip 0


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

5001000150020002500300035004000



50100150200250300350400450500

Figura A.2: Noise per un valoredi soglia 3200 e�

I risultati preliminari sono positivi, ma sara’ necessario altro lavoro perottimizzarne la caratterizzazione . Una successiva analisi di questo campionee dei successivi campioni prodotti con front end assottigliati, permettera’ dicaratterizzare questo processo nei confronti del processo di bump bonding conSn-Ar.

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A.0 APPENDICE A. RIVELATORE PLANARE

OCCUPANCY: SOURCE_SCAN 2.Module "FEI4"

Column0 10 20 30 40 50 60 70

Row

0

50

100

150

200

250

300

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Occupancy mod 0 bin 0 chip 0

Figura A.3: Mappa Occupan-za 241Am


0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

310×


Figura A.4: Cluster TOTSoglia a 3200 e� (12k Eventi)

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Bibliografia

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A.0 BIBLIOGRAFIA

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