i silicon photomultipliers come sistema di lettura per...
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I Silicon Photomultipliers come sistema di lettura per
calorimetri shashlik
Alessandro Berra
Relazione di fine anno di dottorato
XXIV Ciclo
Outline I Silicon Photomultipliers
Funzionamento, vantaggi e problemi
Il calorimetro «Jack» Simulazione
Test a bassa e alta energia
Simulazione completa con fenomeni ottici
I nuovi test di ottobre Lettura a 36 canali
Amplificatori a larga banda
Scheda di amplificazione con ASIC Maroc
Conclusioni
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I Silicon Photomultipliers Detector al silicio composti da
una matrice di pixel connessi ad un output comune Ogni pixel può essere
considerato come un diodo alimentato ad una tensione oltre quella di breakdown
Quando un fotone colpisce un pixel si forma una scarica in maniera simile ad un contatore Geiger Ogni pixel è sostanzialmente un
contatore binario (SPAD)
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La risposta analogica all’intensità del segnale è ottenuta (per flussi non troppo intensi) considerando il numero di pixel accesi
SiPM VS …
… Fotomoltiplicatori: Basso voltaggio di bias (∼50V)
Compattezza (∼mm2)
Operativi in campi magnetici
Readout semplice
… APD Maggiore gain (~106 contro ~102)
Non necessitano di particolare elettronica
Ottime risoluzioni temporali (∼100ps)
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SVANTAGGI Dark noise (dipendente da T)
Danni da radiazione
I SiPM: applicazioni
Fisica delle alte energie CMS ha già sostituito parte degli
HPD del HCAL con dei SiPM e pianifica un’altra sostituzione nello shutdown fra 2 anni
La maggior parte dei calorimetri studiati per ILC fanno uso di SiPM
Fisica medica Nuove PET-TOF ad alta risoluzione
(sfruttano la velocità di risposta dei SiPM)
Nuove PET-NMR per immagini funzionali e di densità dei tessuti (operatività in campi magnetici)
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SiPM: FBK-irst Dimensione:
3x3 e 4x4 mm2 , montati su PCB Circolari con diametro ∼1 mm
Breakdown voltage: ∼31V Overvoltage range: ∼5V Numero di pixel:
3600 e 6400 per i 3x3 e 4x4 mm2 688 per i circolari
Pixel area: 50x50μm2 per i 3x3 e 4x4 mm2
40x40μm2 per i circolari
Gain: ∼106
QE: >90% (380-530nm) PDE: ∼ 30-35%
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G.Collazzuol et al., Nucl. Instr. and Meth.
in Phys. Res. A 581, 461-464 (2007)
Ref.
Il Calorimetro Shashlik: Jack
Assemblato dalla sezione di Trieste
Area 11.5x11.5 cm2, 70 tile di scintillatore plastico (spessore 4 mm) e 69 tile di piombo spesse (1.5 mm)
Totale di 19 lunghezze di radiazione (X0)
144 fibre WLS da 1.2mm di diametro, raccolte in gruppi di 9 per un totale di 16 canali, letti da SiPM 3x3 mm2 FBK-irst NON AMPLIFICATI
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Simulazione in Geant 4
Simulazione completa della linea di fascio
Attivazione dei processi EM e adronici usando la lista QGSP_BERTINI
NB: nessun modello implementato per valutare l’efficienza di raccolta luce!
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Risoluzione e Linearità – Bassa energia
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Elettroni di bassa
energia
Fit alla risoluzione P0⊕P1/√E
Ottima linearità
P0= Termine costante: domina ad alte energie e dipende dalla geometria del calorimetro (leakage)
P1= Termine stocastico: dipende dalle fluttuazioni statistiche nel deposito di energia e va come √E
Risoluzione Bassa Energia
Alta Emergia
Costante 1.19% 1.34%
Stocastico 7.05% 6.59%
Fotoni di alta energia
Risoluzione e Linearità – Alta energia
Differenze dovute al maggiore leakage
ad alta energia
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Scan in posizione & leakage
Deposito sostanzialmente uniforme di energia nella
parte centrale del calorimetro
Inefficienze dovuti ai buchi nelle tile di scintillatore
Fascio di elettroni uniformemente distribuito
Test Calorimetro – Setup elettroni
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Cherenkov
Calorimetro
Strip Detectors
Scintillatore di trigger
Cherenkov per selezionare gli elettroni
Strip detector per il tracking (σ≃30 μm)
Calorimetro in fase di test
Linea T9, PS East Hall
Energia fino a 7 GeV
Frazione di elettroni: ∼60-80% a 1 GeV/c fino a <10% a 5 GeV/c
Picco delle MIP
Picco degli elettroni usando
il Cherenkov
mean
sigmaerisoluzion
Energia depositata – Cherenkov Tag
Test Calorimetro - Procedura
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Equalizzazione overvoltage: Uso di 4 power supply
Equalizzazione risposta: Run usando le MIP
Scan in energia selezionando gli elettroni
Risoluzione spaziale: Divisione dei canali in 4 «piani» x-y
Calcolo del baricentro attraverso la procedura in «Awes et. al., NIM A 311, 130»
Calcolo della risoluzione col metodo dei residui rispetto alle strip chambers
i
ii
calcw
xwX
tot
ii
E
EwMaxw ln,0 0
Risultati – Risoluzione e Linearità
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Risoluzione SiPM 40 μA SiPM 30 μA SiPM 20 μA SiPM 10 μA
Costante 4.0% 5.0% 5.0% 4.6%
Stocastico 11.5% 10.5% 9.7% 12.1%
Noise 14.2% 13.5% 14.9% 12.1%
P2= Termine di noise: domina a basse energie ed è dovuto principalmente al rumore dell’elettronica e della catena di acquisizione e va come 1/E
Risultati – Risoluzione Spaziale
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1 GeV 2 GeV 3 GeV 4 GeV 5 GeV 6 GeV 7 GeV
Risoluzione X 0.66 0.41 0.32 0.28 0.25 0.23 0.21
Risoluzione Y 0.70 0.47 0.36 0.33 0.30 0.29 0.28
Test ad Alta Energia Fascio di fotoni taggati @CERN SPS H4 line Fotoni ottenuti tramite channeling di positroni in cristalli
curvati Energia fotone ottenuta misurando l’energia del positrone
uscente con un metodo spettrometrico
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http://insulab.dfm.uninsubria.it
Risultati
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Calibrazione del calorimetro Divisione del plot in slice per costruire un plot di linearità
Risultati – Risoluzione e Linearità
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Effetto di saturazione ad alta energia
Linearizzazione della risposta tramite fit con polinomio di 4°
grado
Risultati – Risoluzione e Linearità
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NB: in questa configurazione il termine di noise contiene al suo interno anche gli effetti dovuti alla risoluzione energetica dello spettrometro
Termine costante compatibile
Nonostante la linearizzazione alto termine stocastico
e di noise
Risultati – Risoluzione e Linearità
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A bassa energia ottima linearità (come con elettroni)
Conferma di termine stocastico dell’ordine di ∼11%/√E
Problema
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Disaccordo dati-simulazione (alto
termine stocastico)
Colpa dei SiPM o colpa del
calorimetro?
Crediamo che il problema sia nel calorimetro, in particolare nelle tile di scintillatore non ricoperte
con materiale riflettente
Nuova simulazione in Geant 4 Simulazione completa della propagazione della luce all’interno di
scintillatore e fibre WLS usando il pacchetto di fisica ottica presente in Geant4
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ESEMPIO Rifrazione plastica-aria
di un fotone ottico
Prima fase: assegnazione degli indici di rifrazione a tutti i materiali dielettrici (scintillatore, materiale delle fibre WLS, aria…)
Fotoni ottici trattati come normali particelle che si propagano secondo le leggi dell’ottica geometrica
Materiali metallici
Cosa succede se il materiale non è dielettrico?
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Il fotone viene assorbito…
…a meno di non definire una superficie
riflettente!
Superficie riflettente
Problema non banale: assenza di copertura riflettente ma: Sottile intercapedine di aria fra le tile (difficilmente valutabile in
spessore) con possibilità di riflessione totale per certi angoli
Tile di piombo zincate, quindi parzialmente riflettenti
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Definizione di una «Skin Surface»: riflettività
espressa in termini di coefficiente fra 0 e 1
Ad ogni interazione con la superficie il fotone ha una certa probabilità di venire
riflesso Riflettività=0.62
Processi di scintillazione
Gestione completa dei processi di scintillazione: Yield (numero di fotoni generati per keV depositati)
Tempo di emissione caratteristico (componente fast e slow)
Attenuazione della luce nel mezzo
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Elettrone ∼100 keV
Ottenuti da datasheet
Processi di WLShifting
Definizione di alcuni materiali come «shifter»: Coefficienti di assorbimento ed emissione a diverse lunghezze d’onda
Creazione di fibre WLS multi-clad sfruttando le leggi delle riflessione
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CORE (Polistirene) CLADDING 1 (PMMA)
CLADDING 2 (Fluoruro-PMMA)
«Contare» i fotoni
«Sensitive detectors»: corrispettivo dei SiPM nella simulazione, oggetti che contano il numero di fotoni che li colpiscono
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Un «SiPM» per ogni fibra
Schermature per fotoni da
altre fibre
Simulazione completa Tile replicate Inserimento delle fibre WLS Sensitive detectors per contare i fotoni e relativi shield Case esterno di alluminio
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Effetto di un elettrone di 1 GeV…
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Milioni di fotoni ottici da
simulare
Simulazione estremamente
CPU consuming
LENTA!
Analisi - Simulazione ottica
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Somma di tutti i fotoni per il deposito di energia totale Divisione delle fibre nei «cluster» reali in modo da applicare l’algoritmo di
ricostruzione in posizione Applicazione nell’analisi off-line di un termine di noise
Al numero di fotoni per ogni fibra viene sommato un numero fisso di fotoni moltiplicato per un numero casuale compreso fra -1 e 1
Risultati – Simulazione ottica
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Conservata la linearità Il termine stocastico e di noise
sono più simili ai dati!
Risultati – Simulazione ottica
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Risoluzione Simulazione Simulazione Fotoni R=0.62
Dati
Costante 1.2% 2.8% 4.0%
Stocastico 7.0 % 14.0% 11.5%
Noise 0 10.7% 14.2%
Risoluzione energetica e in posizione comparabili
Cosa ci dice la simulazione?
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Basso coefficiente di riflessione: gran
parte della luce viene dispersa
Rivestire le tile di scintillatore con
materiale riflettente (Tyvek,
alluminio)
Termine di noise dovuto alla catena
di elettronica elevato
Amplificare il segnale dei SiPM e
possibilmente limitare la
lunghezza dei cavi di segnale
Prima prova: Jack modificato
Nuovo testbeam (ultimato ad inizio novembre)
36 canali di lettura: fibre raccolte in gruppi di 4
SiPM 4x4 mm2 amplificati
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Jack modificato SiPM 4x4 realizzati dalla FBK-irst
6400 celle
Elevato range dinamico
Amplificatori realizzati dal gruppo FACTOR di Trieste
Elevata banda passante
Fattore di guadagno 8x
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Elevato consumo (∼50 Watt totali per 36 canali) Tendono a scaldare i SiPM
Necessari comunque i cavi di ritardo (in questo caso 36) per portare i segnali con il giusto timing agli ADC Raccolta di noise e dipendenza dalla
qualità dei cavi
PROBLEMI
Drift delle correnti
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Drift della posizione del
picco degli elettroni e delle MIP
∆I = 400 nA
∆T = 0.5 °C Doppio picco dovuto alla saturazione
dell’amplificatore
Drift delle correnti
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Sistema di cooling
(improvvisato…)
Limita ma non risolve il problema della
temperatura (specialmente le
variazioni giorno-notte)
Risultati – Jack 36 canali
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Meno corrente per eliminare la saturazione dell’amplificatore
La presenza del ventilatore stabilizza leggermente la temperatura Problemi ancora nei run lunghi nella notte
Risultati inferiori alle attese anche in termini di risoluzione
Seconda prova: Willie + MAROC
Tile spesse 3.27 mm e con area di 8x8cm2 41 tile di scintillatore plastico e 40 tile di piombo per un totale di 24
lunghezze di radiazione (X0)
Readout tramite 64 fibre WLS da 0.8mm di diametro, raccolte in gruppi di 4 per un totale di 16 canali
SiPM circolari di diametro ∼1 mm 42
La MAROC board
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ASIC con uscite analogiche e digitali
Amplificatore con gain regolabile (tramite le FPGA)
2 ADC: uno integrato ed uno esterno sulla board
VANTAGGI Segnale amplificato
Cavi di ritardo non più necessari
Conclusioni Proseguiti gli studi sui SiPM applicati a calorimetri
shashlik in termini di: Linearità Risoluzione energetica Risoluzione spaziale
Sviluppata una simulazione in Geant4 in grado di descrivere la propagazione della luce nelle tile
Per il futuro: Modifiche hardware a Jack con rivestimento riflettivo
delle tile di scintillatore Circuito di monitoring e correzione delle correnti
assorbite in modo da seguire i cambiamenti di temperatura
Applicazione dei SiPM alla lettura di fibre borate per realizzare un dosimetro di neutroni
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Timing
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Serve tempo per formare il segnale di trigger e per far partire il gate dell’ADC
Con il MAROC si sfrutta il tempo di shaping del segnale e la posizione dell’hold per campionare il segnale sul picco, senza bisogno di ritardare il segnale in ingresso
TWICE
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Sviluppo di SiPM a tecnologia avanzata di grande superficie (∼3x3 cm2)
Aumento dell’efficienza nella regione 300-400 nm
Sviluppo di ASIC di front-end per la lettura dei SiPM
Applicazione dei SiPM alla calorimetria e in generale alla lettura di scintillatori in fisica delle alte energie e dello spazio
Sezioni INFN Trieste
Udine
Milano Bicocca
Roma 1
Messina
Lecce
Techniques for Wide-range Instrumentation for Calorimetry Experiments
FACTOR Fiber Apparatus for
Calorimetry and Tracking with Optoelectronic
Readout