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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
Vantaggi
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Calorimetriacalorimetri elettromagnetici e adronici
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
● 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 elettromagnetici
Sciami adroniciSciami adronici
Calorimetriasciami elettromagnetici e sciami adronici
t=xX 0
tmax=ln(E0/EC
em)
ln 2
toy model
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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 elettromagnetici
Sciami elettromagnetici
Sciami adroniciSciami adronici
Calorimetriasciami elettromagnetici e sciami adronici
RisoluzioneRisoluzioneσE
E≃
0.05
√E [GeV ]
σE
E≃
0.50
√E [GeV ]
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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 ?
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
HHe
LiBe
Li
B
C
N
O
HHe
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Primi risultatiricostruzione del profilo dello sciame
MIP Sciame adronicoSciame adronico
concomponente em?
➢ I raggi cosmici➢ Calorimetria➢ Gamma400➢ Il prototipo➢ L'elettronica➢ Primi risultati
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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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