Studio della
dipendenza dalla
temperatura delle
prestazioni del
tracciatore a silicio
di GLAST
Relatori:
Prof. P. Spinelli
Dott. F. Loparco
Laureanda:
Claudia Monte
19 Maggio 2005
Sommario:

Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici

Esperimento GLAST: la strumentazione

Il rivelatore a silicio di GLAST

Analisi delle sorgenti di rumore elettronico

I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT

Presentazione dei risultati sperimentali
Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici
1.
Definizione di una mappa del cielo gamma più completa rispetto a
quella di EGRET, con lo scopo di identificare sorgenti localizzate e
di studiare l’emissione diffusa.
2.
Comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento di
particolari corpi celesti, come AGN, Blazar, Pulsar, SNR e stelle
binarie.
3.
Studio del comportamento dei Gamma-Ray Burst per stabilirne
l’origine.
4.
Analisi spettrale dei fotoni rivelati al fine di identificare eventuali
fotoni prodotti da annichilazione di materia oscura.
5.
Osservazione e studio dei “solar flares”.
Esperimento GLAST: la strumentazione
GLAST
Gamma-ray
Large
Area
Space
Telescope
LAT (Large Area Telescope)
Range energetico: 20 MeV÷300 GeV
(Messa in orbita: Ottobre 2007)
(Presa datI: minimo 5 anni)
GBM (Glast Burst Monitor)
Studio dei GRB nel range energetico:
1keV-30 MeV
Principio di funzionamento del LAT
Produzione di coppie: e+ eTracciatore (TKR): 36 piani di
rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD)
alternati a fogli convertitori di
tungsteno per convertire i  in coppie
e + e -.
Calorimetro (CAL): 96 barre di
cristalli di CsI drogato con Tl per la
misura dell’energia associata alle
coppie e+ e- prodotte.
Rivelatore di anticoincidenza (ACD):
schermo di 145 barre di scintillatori
plastici segmentati per il rigetto dei
raggi cosmici carichi.
Tracciatore
Struttura del LAT
Struttura modulare:
Matrice 4x4 di torri
identiche
Grid
Calorimetro
DAQ
Elettronica
Sistema di anticoincidenza
(ACD)
Struttura del TKR
Top: unico tray privo dello
» Ciascuna torre del TKR è costituita da 19 moduli (tray)
strato superiore di SSD
Standard: 11 tray, di
spessore pari a 0.03 X0
con strato convertitore
spesso 105 mm
Super-Glast: 4 tray , di
spessore pari a 0.18 X0
con strato convertitore
spesso 630 mm
Standard senza
convertitore: 2 tray
Il tray ha uno spessore di 3 cm: è costituito
da un pannello a nido d’ape in alluminio inserito tra due
fogli sottili in fibra di carbonio 4 cornici in carbon-carbon
lungo i lati
Bottom: unico tray privo
dello strato inferiore di
SSD
I rivelatori a silicio di GLAST
Wafer di silicio
Ladder
Piano di SSD
4 file di ladder
matrice 4x4 wafer
Dimensioni
8.95 x 8.95 cm2
Spessore
400 mm
Numero strip
384
Passo strip
228 mm
Tensione di svuotamento
< 120 V
Tensione di breakdown
> 175 V
Percentuale strip non funzionanti: < 0.2 %
1536 strip per
piano
Corrente di leakage per strip
< 1.5 nA
Capacità di svuotamento
~7.5 pF
L’elettronica di front-end
Zf
Zfs
Cc
gm
I
gms
Zd
Detector
Vout
Preamplificatore
DISCRIMINATORE
Shaper
Rd (Resistenza di
ingresso)
200 G
Rf (Resistenza di
feedback)
10 G
Rfs (Resistenza di
feedback shaper)
100 M
Cd (Capacità di
ingresso)
47 pF
Cf (Capacità di
feedback)
9.2 pF
Cfs (Capacità di
feedback shaper)
9 pF
Cc (capacità di
disaccoppiamento)
1.5 pF
gm(Transconduttanza
Transistor)
7∙10-4 S
gms (Transconduttanza
transistor shaper)
7∙10-4 S
Studio della dipendenza del noise dalla temperatura
Motivazioni
In fase di volo tra i diversi piani
delle torri esisterà un gradiente
di temperatura
Una eventuale
dipendenza del noise
dalla temperatura
comporterebbe diversi
valori di noise nei
differenti piani della torre
Ciò ha importanti conseguenze nella scelta del valore di soglia
dei discriminatori associati a ciascun canale di lettura degli
SSD
Analisi delle sorgenti di noise
Corrente di buio
(o corrente di “leakage”)
SHOT NOISE
 E b  1 1 
T 
2
i nd  2  e  Il T   2  e  Il T0      exp     
 T0 
 2k  T0 T 
2
Noise associato alla
resistenza di bias
NOISE TERMICO
kT
i  4
Rb
Noise associato alla
resistenza di feedback
NOISE TERMICO
kT
i  4
Rf
2
nb
Sorgenti di noise
Noise dell’amplificatore
Associato
NOISE TERMICO + NOISE1/f
V V
2
na
2
naw
2
nf
Af
kT Af

 2.7 

f
gm
f
Circuito equivalente di noise
Zf
inf
Vna
ind
Zd
+
inb
V preampl.

2 E




T
T
b
 v   1   
 vTensione
 A  di 1rumore
 b  T  c   Vrms  exp
 T 
T
2
k
0 
0 




2
2 d
2
2
2
2
2
E
 bv 1.2eV
ind  inb  inf G1    Vna G2   

 2
0
T0  293K
2


I risultati della simulazione
G  115 mV
fC
I l T0   1.5nA
T0  293K
I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT
Cicli termici
IGS
TOWER
Grid Ring
TEM
Tower Stand
Cold Plate
TrckerGTRCConfiguration
TkrGTFECheck
TkrReadingConfigurationTest
Test di verifica delle operazioni di
trasmissione dati dai 64 chip
dell’elettronica di lettura delle 1536
strip di ogni piano di SSD alla TEM
Test di verifica sul
corretto funzionamento
della configurazione di
lettura di ciascun layer
Test effettuati
TkrNoiseAndGain
Test effettuato allo scopo di
trovare eventuali canali
disconnessi misurando il
guadagno ed il noise di ciascun
canale
TkrNoiseOccupancy
Test con lo scopo di cercare
eventuali canali rumorosi
TkrTotTest
Test di Calibrazione del TOT (Time
Over Threshold)
Presentazione dei risultati sperimentali
Misure di guadagno e di noise
V0
G
q0
V2  V1
v 
2.35
ENC 
V1
V2
v
G e
Distribuzione di guadagno e noise sulle strip
Per il guadagno si osserva
un andamento discontinuo
con fluttuazioni tra i diversi
chip di lettura (GTFE)
Per il noise, le fluttuazioni
sono di entità minore
Distribuzione di guadagno e di noise sull’intera torre
Guadagno medio:
≈ 100 mV/fC
Fluttuazioni attorno
alla media:
≈ ±10%
Noise medio:
≈ 1500 ENC
Fluttuazioni attorno
alla media:
≈ ±13%
Studio
dell’andamento della
temperatura,
del guadagno e del
noise
in funzione del tempo
per i 35 run analizzati
Si osserva una
correlazione
Studio del guadagno in funzione della temperatura
In un intervallo di temperatura di ~60
K il guadagno varia di circa 5mV/fC,
che corrisponde ad una variazione
dello 0.1% per grado.
E’ lecito trascurare la variazione del guadagno in
funzione della temperatura ed assumere un
guadagno medio dell’ordine del centinaio di
mV/fC costante con la temperatura.
 Eb 
T 
T 


Studio
del
funzione
temperatura
Totale
 A 1
b  T noise
 c    in
 exp


1


 T della
Dati
sperimentali
T
2
k
0 
 0


2
Contr. 1  A
f
Contr.termico  A  b  T
 E  T 
T 
Contr.leakage  A  c    exp  b  1  
 T0 
 2k  T0 
2
Esiste una dipendenza del noise dalla temperatura
Barre di errore sulla temperatura
fino a 10 gradi nelle fasi transienti
Andamento del noise medio in funzione della temperatura per i piani
superiori ed inferiori della torre
T
A  1 b T  c  
T
 0
 Eb 

T



exp


1




2
k
T0



2




Conclusioni
 Il guadagno dipende debolmente dalla temperatura con una
variazione dello 0.1 % per grado Kelvin
Si può assumere un guadagno costante al variare della
temperatura approssimabile con un valore di ~ 100 mV/fC
Le fluttuazioni del noise sono dell’ordine del 10% su un
intervallo di temperatura di 60 K
 Il
noise mostra una dipendenza dalla temperatura in accordo
con il modello teorico utilizzato per descrivere l’elettronica di
lettura degli SSD del LAT