Sviluppo e primi test di un prototipo di calorimetro per...

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Sviluppo e primi test di un prototipo di calorimetro per la misura dei raggi cosmici nello spazio: Calocube

Sviluppo e primi test di un prototipo di calorimetro per la misura dei raggi cosmici nello spazio: Calocube

Candidato: Eugenio BertiRelatore: Raffaello D'AlessandroCandidato: Eugenio BertiRelatore: Raffaello D'Alessandro

Università degli Studi di FirenzeScuola di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Corso di laurea in Scienze Fisiche e AstrofisicheTesi di laurea magistrale

Università degli Studi di FirenzeScuola di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Corso di laurea in Scienze Fisiche e AstrofisicheTesi di laurea magistrale

Anno accademico 2011-2012Anno accademico 2011-2012

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Sommario

● I raggi cosmici● Calorimetria● Gamma400● Il prototipo● L'elettronica● Primi risultati

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I raggi cosmiciintroduzione

Origine:

● produzione e accelerazione dovute a sorgenti astrofisiche

● spallazione con i nuclei del mezzo interstellare

Origine:

● interazione primari con i nuclei dell'atmosfera terrestre

Composizione:

● elettroni e muoni prodotti dal decadimento di π±, π0, K± formati in atmosfera

Composizione:

● 86% protoni, 12% particelle α, 1% nuclei

● 1% elettroni e positroni

Raggi cosmici primari Raggi cosmici secondari

➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati

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I raggi cosmiciproduzione e accelerazione

● ginocchio ~ 1015 - 1016 eV

● caviglia ~ 1018 - 1019 eV

● GZK cut-off ~ 1020 eV

F (E)∝E−α

Flusso differenziale


Cambi di pendenza

Interessi di ricerca● Simmetria/asimmetria

tra materia e antimateria

● Materia oscura

● Meccanismi di produzione e accelerazione dei raggi cosmici

● Presenza del GZK cut-off

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I raggi cosmicitecniche di rivelazione

● elettroni e muoni

● luce Cherenkov

● luce di fluorescenza

● palloni stratosferici

● satelliti spaziali


Misure dirette in orbitaMisure indirette tramite EAS

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I raggi cosmiciil calorimetro

● miglioramento della risoluzione all'aumentare dell'energia

● accettanza maggiore a seconda della geometria scelta

Misure

S∝E0

Risposta proporzionaleall'energia della particella

σE

E=

a

√E+

bE

+ c

Risoluzione in energia


Vantaggi

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Calorimetriacalorimetri elettromagnetici e adronici


● sciami iniziati da elettroni, positroni, fotoni

● sviluppo per produzione di coppie e bremsstrahlung

Sciami elettromagnetici● sciami iniziati da adroni

● sviluppo attraverso interazioni nucleari

● componente elettromagnetica originata da decadimento dei π0

Sciami adronici

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ECem

Energia criticaEnergia criticaEChad

X 0Lunghezza d'interazioneLunghezza d'interazione

λ I

N (t)=2t

E( t)=E0⋅2−t

Sciami elettromagnetici


Sciami adroniciSciami adronici

Calorimetriasciami elettromagnetici e sciami adronici

t=xX 0

tmax=ln(E0/EC

em)

ln 2

toy model


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● profilo longitudinale contenuto (X

0 = 1.8 cm in CsI)

● profilo trasversale dovuto a scattering multiplo

● profilo longitudinale esteso (λ

i = 30 cm in CsI)

● profilo trasversale dovuto a impulso trasverso trasferito ai vertici di interazione nucleare

● grande quantità di energia “invisibile” ● notevoli fluttuazioni sullo sciame



Sciami adroniciSciami adronici

Calorimetriasciami elettromagnetici e sciami adronici

RisoluzioneRisoluzioneσE

E≃

0.05

√E [GeV ]

σE

E≃

0.50

√E [GeV ]


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Collaborazione internazionale tra Russia, Italia, Stati UnitiCollaborazione internazionale tra Russia, Italia, Stati Uniti

Lancio su satellite Navigator previsto nel 2018Lancio su satellite Navigator previsto nel 2018

Gamma400generalità

● Studiare la natura e le caratteristiche di particelle massive debolmente interagenti, di cui è costituita la materia oscura

● Studiare la natura e le caratteristiche dell'emissione variabile di raggi γ da parte di oggetti astrofisici, dalle stelle agli ammassi galattici

● Studiare i meccanismi di generazione, accelerazione, propagazione, interazione dei raggi cosmici nella galassia e negli spazi intergalattici

Obiettivi scientifici

Payload per la rivelazione di raggi cosmici


Calorimetro omogeneo (CsI(Tl)):misura

dell'energia

Tracciatore/ Convertitore

(11 piani di W-Si):misura dell'angolo di

incidenza

● raggi γ di energia 100 MeV – 3 TeV

● elettroni e positroni di energia 1 GeV – 3 TeV

● nuclei fino ad energie di 1 PeV

Sistemi di misura della carica

Sistema di anticoincidenza

Scintillatori

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Gamma400il calorimetro

● elettromagnetico ● omogeneo ● segmentato● cubico

● elettromagnetico ● omogeneo ● segmentato● cubico

Calocube

massa 1683 kg

numero cristalli 20x20x20

lato cristallo 3.6 cm

gap 0.3 cm

lato Calocube 78 cm

profondità 39 X0

profondità 1.8 λI

GF singola faccia 1.91 m2sr

facce utili 5

GF totale 9.55 m2sr


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Il prototipocomponenti

Il prototipo● 14 piani

● 126 cristalli di CsI(Tl)

● fotodiodi VTH2090

● cavetti di kapton

● 3 schede CASIS

● 14 piani

● 126 cristalli di CsI(Tl)

● fotodiodi VTH2090

● cavetti di kapton

● 3 schede CASIS


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Il prototipocristallo e fotodiodo

densità 4.51 g cm-3

X0

1.85 cm

λmax

emissione 550 nm

resa di luce 54 fotoni keV-1

τ 0.6, 3.5 μs

area 9.2 x 9.2 mm2

λmax

risposta 960 nm

capacità 70 pF

τrise

(τfall

) 15 ns

Cristallo

Fotodiodo


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Il prototipol'elettronica di front-end

● 3 chip CASIS

● 1 ADC

● I/O LVDS

● 16 canali in ingresso

● 1 uscita analogica

● 2 regimi di guadagno

● ampio range dinamico (52.6 pC)

Scheda CASIS

Chip CASIS


Tre blocchi elettronici principali

(pilotati da tre distinti gruppi di segnali)

● un amplificatore di carica (CSA) e un circuito di doppio campionamento correlato (CDS) per ognuno dei 16 canali in ingresso al chip

● uno shift register per il multiplexing delle uscite relative ai 16 ingressi sull'unica linea OUT del chip

● l'ADC della scheda che converte in digitale i valori analogici portati in sequenza all'uscita dei tre chip

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Sequenza di pilotaggio

L'elettronicail chip CASIS

1. CSA e CDS resettate periodicamente

2. Arrivo di un segnale di trigger

3. La rete di controllo determina il regime di guadagno Gain

4. Il CSA integra il segnale

5. GHold blocca Gain 3.8 us dopo il trigger, Hold apre l'interruttore Hold 20 us dopo l'ultimo reset

6. Il CDS sottrae dal segnale il livello di base

7. Out e Gain in uscita

8. Reset del CSA e del CDS


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L'elettronicala scheda ROC

Specifiche

● FPGA Virtex 4

● modulo QuickUSB

● I/O LVDS e LVTTL

Connettori utilizzati

● connettore LEMO per segnale di trigger

● 7 connettori ODU 20 poli LVDS per il pilotaggio delle schede CASIS

● interfaccia USB per il dialogo con il DAQ

Scheda ROC


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L'elettronicail modulo QuickUSB

● dialogo gestito attraverso librerie C++

● lettura/scrittura di una parola di 16 bit

● lettura del blocco dati del singolo evento costituito da 177 parole di 16 bit

Protocollo HSPP in simple I/O mode

Segnali utilizzati

● clock interno IFCLK

● bus di dati di 16 bit FD

● bus di indirizzi di 9 bit GPIFADR

● linee di controllo:● CMD_DATA● WEN● nOE● REN


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L'elettronicaIl firmware VHDL della scheda ROC

Sequencer

Trigger

Qusb

CASIS 2

CASIS 3

clock 100 MHz

clock 48 MHz

DAQRAM

WR

ROC

CASIS 1


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Lettura IDConfigurazione

Scheda

Lettura blocco dati

Abilitazionetrigger

LetturaStatus

Register

L'elettronicamodalità di acquisizione dei dati

Modalità di acquisizione condivisa

Al DAQ sono collegati diversi dispositivi tra cui la scheda ROC

Al DAQ sono collegati diversi dispositivi tra cui la scheda ROC

Registri interni● BOARD_ID per comunicare al DAQ

l'ID della scheda ROC

● SET_BOARD per configurare i parametri operativi della scheda ROC

● EN_TRIGGER per abilitare la scheda ROC ad accogliere il trigger

● BOARD_SR per comunicare al DAQ se la scheda ROC è pronta per inviare un dato

Lettura da tutte le

schede ?


1

0

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Primi risultati:il test su fascio di ioni

● Super Proton Synchrotron del CERN

● Febbraio 2013

● ioni di piombo di impulso z·350 GeV/c accelerati su una targhetta di berillio di spessore 30 cm

● selezione dei nuclei aventi Z/A=1/2 e impulso Z·12.8 GeV/c e Z·30 GeV/c

Test su fascio di ioni

Area di fascio

● fascio estratto per 2 s (spill) a distanza di 10 s

● trigger software (impulsatore)

● trigger fisico (due scintillatori)

● tracciatore di CALET antistante il prototipo che consente di determinare evento per evento la carica della particella

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Primi risultati:eventi di piedistallo

valor medio deviazione standard


canali rumorosi

piano mancante

canale 16

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Primi risultatidistribuzione degli eventi di segnale

μ σ S/N

ped 31.6±0.2

2H 374.3±0.5 82.3±0.6 11.8

4He 1625±2 235.2±1.2 51.4

➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ Primi risultati

2H

4He

Segnali di ionizzazioneben distinguibili

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Primi risultatitransizione tra i due regimi di guadagno

Possibili spiegazioni

● segnale GHold inviato troppo presto

● pile-up durante lo spill del fascio

Problema nella selezioneautomatica del guadagno


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Primi risultatirisposta in funzione della profondità

Piano 0 vs Piano 1 Piano 0 vs Piano 13

H, He, Li, Be, B, C, N, OH, He, Li, Be, B, C, N, O

Elementi rivelabili


HHe

LiBe

Li

B

C

N

O

HHe

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Primi risultatiricostruzione del profilo dello sciame

MIP Sciame adronicoSciame adronico

concomponente em?


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Conclusioni

L'elettronica di acquisizione● Il firmware sviluppato si è

dimostrato capace di pilotare le schede CASIS e inviare i dati al DAQ

● il firmware ha consentito di acquisire un consistente numero di dati al test su fascio del prototipo

● E' stato riscontrato un problema relativo alla saturazione del segnale tra i due regimi di guadagno del chip CASIS

Le proprietà del prototipo● In seguito ad un'analisi preliminare

dei dati è stato possibile:

– distinguere chiaramente i picchi di ionizzazione degli elementi più leggeri

– osservare il profilo di sviluppo degli sciami

● Attraverso analisi future sarà possibile:

– determinare la risoluzione energetica del calorimetro

– accertare la capacità di ricostruire l'energia dello sciame a partire dal suo profilo di sviluppo

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