Untitled - ALICE Collaboration

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Untitled - ALICE Collaboration
Università degli Studi di Trieste
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Tesi di Laurea Specialistica in Fisica
Produzione e caratterizzazione dei
rivelatori a microstrisce per il tracciatore
interno di ALICE
Laureando:
Massimo VENARUZZO
Prof.
Dott.
Relatore:
Paolo CAMERINI
Correlatore:
Giacomo-Vito MARGAGLIOTTI
Anno Accademico 2005/2006
mail to:
[email protected]
Febbraio 2007. Dipartimento di Fisica, Trieste.
Ai miei genitori
Indice
Introduzione
1
1 La Fisica dell’esperimento ALICE
1.1 La materia adronica . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Transizione alla fase di QGP . . . . . . . . .
1.3 Lo schermaggio di colore . . . . . . . . . . . .
1.4 Evidenze sperimentali del QGP . . . . . . . .
1.4.1 Soppressione della produzione di J/ψ
1.4.2 Ripristino della simmetria chirale . . .
1.4.3 Aumento della stranezza . . . . . . . .
1.4.4 Perdita di energia nel mezzo . . . . . .
1.4.5 Emissione di radiazione γ diretta . . .
2 L’esperimento ALICE
2.1 Il programma sperimentale di ALICE .
2.2 Le condizioni sperimentali . . . . . . . .
2.3 L’apparato sperimentale di ALICE . . .
2.4 Il sistema di tracciamento interno (ITS)
2.4.1 I compiti dell’ITS . . . . . . . .
2.4.2 Le prestazioni dell’ITS . . . . . .
2.4.3 Gli strati dell’ITS . . . . . . . .
3 Costruzione dei rivelatori a microstrip
3.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Proprietà di base del silicio . .
3.1.2 La giunzione p-n . . . . . . . .
3.1.3 I sensori a doppia faccia . . . .
3.2 I rivelatori SSD di ALICE . . . . . . .
3.3 L’elettronica di lettura: il chip Hal25 .
3.4 Il ladder . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 L’elettronica di front-end: le EndCap .
3.6 Il sistema di acquisizione FEROM . .
3.7 Caratterizzazione dei moduli SSD . . .
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di silicio
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3.7.1 Grandezze caratteristiche
3.7.2 Il software di test . . . . .
3.8 Risultati . . . . . . . . . . . . . .
3.8.1 I sensori ITC . . . . . . .
3.8.2 I sensori Canberra . . . .
3.8.3 I sensori Sintef . . . . . .
3.9 Il difetto Sintef . . . . . . . . . .
3.10 Moduli con corrente anomala . .
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4 Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
4.1 Caratteristiche generali . . . . . . . . . . . . .
4.2 Descrizione generale . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Il Branch Controller Mod. A1676A . . .
4.2.2 Connessione A1676A - EASY3000 . . .
4.2.3 Scheda di alimentazione A3602 . . . . .
4.2.4 Scheda di alimentazione A3501 . . . . .
4.3 Sviluppo e test . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Test di risposta su singola scheda . . . .
4.3.2 Test di alimentazione su singolo modulo
4.3.3 Test di alimentazione su ladder . . . . .
4.4 Il sistema di accettazione . . . . . . . . . . . .
5 Montaggio
5.1 Test di
5.2 Test di
5.3 Test di
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86
e test del rivelatore SSD
89
ladder in fase di montaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
ladder in configurazione finale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
ladder montati su cono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Conclusioni
97
A Moduli Sintef e contro-tensione
99
B Test Alimentatori
103
C Test Alimentatori su ladder
113
Bibliografia
121
Ringraziamenti
125
ii
Introduzione
Obiettivi di questo lavoro di tesi sono lo studio e la caratterizzazione dei rivelatori
a microstrip di silicio (Silicon Strip Detector, SSD) che compongono i due strati più
esterni del Sistema di Tracciamento Interno (ITS) per l’esperimento ALICE (A Large
Ion Collider Experiment). Scopo di ALICE, la cui attività sperimentale inizierà alla fine
del 2007, è lo studio approfondito, in condizioni energetiche mai raggiunte prima, di una
nuova fase della materia, il Plasma di Quark e Gluoni (QGP) e dunque muovere i primi
passi in un fisica completamente nuova.
La tesi è articolata in quattro capitoli:
• Il primo capitolo introduce brevemente il concetto di QGP come risultato di una
transizione di fase, soffermandosi su quelle che si ritiene, saranno le evidenze sperimentali testimonianti la sua comparsa. A tal proposito, particolare rilievo sarà
dato ai risultati degli esperimenti, svolti ed alcuni tutt’ora in corso, che hanno
permesso di conseguire le prime informazioni ed evidenze sul plasma di quark e
gluoni.
• Il secondo capitolo esporrà il programma sperimentale di ALICE, soffermandosi su
una breve descrizione dei rivelatori che ne compongono l’apparato, con attenzione
particolare per il Sistema di Tracciamento Interno.
• Il terzo capitolo è dedicato allo studio dei moduli a microstrip di silicio SSD, nelle
diverse fasi prima del montaggio sui ladder (strutture di sostegno a traliccio in
fibra di carbonio). In particolare si illustreranno le diverse fasi di test e produzione
nonché le principali problematiche da essi evidenziate e come sono state affrontate
e risolte.
• Il quarto capitolo è invece rivolto allo studio del sistema di alimentazione dell’intero
rivelatore SSD. Saranno illustrati gli studi di sviluppo e prototipaggio degli alimentatori, le caratteristiche dei prototipi realizzati, la fase di sviluppo ed ottimizzazione
del loro comportamento con test sia su singolo modulo che su ladder.
• Il quinto ed ultimo capitolo analizza il periodo conclusivo della realizzazione del
rivelatore SSD. In particolare si pone l’attenzione sui test eseguiti sui ladder sia
in fase di montaggio che di alloggiamento sul cono e sulle problematiche emerse e
sulla loro soluzione.
1
Capitolo 1
La Fisica dell’esperimento ALICE
L’esperimento ALICE è stato concepito allo scopo di verificare l’esistenza e di studiare le caratteristiche di una nuova fase della materia in condizioni di elevata densità
e temperatura. Secondo le teorie formulate al riguardo e i risultati degli esperimenti più recenti, tale fase può essere descritta come un plasma di quark e gluoni liberi
(QGP), con caratteristiche molto simili a quelle della materia dell’Universo primordiale,
pochi microsecondi dopo il Big Bang. Si prevede che nelle condizioni sperimentali in
cui opererà ALICE tale fase sopravviverà per un tempo dell’ordine di 10 f m/c (ovvero
w 3.3 · 10−23 s) . Ciò ne renderà impossibile l’osservazione diretta. Le ricerche dunque si
concentreranno sull’osservazione e sulla descrizione di alcuni fenomeni fortemente legati
all’esistenza di questa fase, che potranno essere utilizzati come prove della sua comparsa
e come preziose fonti di informazioni a riguardo. Nella prima parte di questo elaborato
descriveremo i processi che caratterizzano la transizione di fase dalla materia adronica
nello stato ordinario fino al plasma di quark e gluoni, per poi mettere in luce gli aspetti
più significativi del nuovo stato fisico raggiunto e fornire una breve panoramica sulle sue
evidenze sperimentali.
1.1
La materia adronica
La materia nucleare è costituita da nucleoni legati assieme da una forza a corto raggio
d’azione chiamata f orza nucleare f orte [1]. In natura, tale materia costituisce sistemi
dotati di volume intrinseco, detti nuclei atomici, e semplificabili in oggetti sferici; risulta
possibile definire una densità nucleare che può essere considerata con buona approssimazione costante al variare del numero atomico ed il cui valore è ρ0 ∼
= 0.17 f m−3 . La
teoria che studia le interazioni forti è la Cromodinamica Quantistica (QCD): essa identifica gli adroni come stati legati di quark. I quark sono considerati alla stregua di oggetti
puntiformi e confinati all’interno del relativo adrone di appartenenza da un potenziale
legante; esso è linearmente dipendente dalla distanza che separa i quark interagenti e
può essere descritto dalla formula
3
Capitolo
1.2. Transizione alla fase di QGP
V (r) ≈ σr
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
(1.1)
ove σ rappresenta l’energia per unità di lunghezza di separazione. Data la forma
di questo potenziale, nell’ambito di questa teoria il quark non può essere concepito
come oggetto isolato, in quanto sarebbe necessaria un’energia infinita per isolarlo, ovvero
allontanarlo a distanza infinita da ogni altro quark; risulta quindi impossibile suddividere
un singolo adrone nei suoi costituenti. In questo senso si parla di conf inamento dei
costitutivi adronici. Accanto ai quark, all’interno della materia nucleare sono presenti
i gluoni, che sono considerati i mediatori dell’interazione forte. I gluoni (J P = 1− )
hanno massa a riposo nulla, ma in ogni istante si possono scindere generando coppie di
quark-antiquark o possono a loro volta essere ricreati dalla fusione di una coppia. Tale
moltitudine di quark, prodotti e annichiliti come particelle virtuali nel campo della forza
forte, costituisce il cosiddetto mare e il valore medio dei suoi numeri quantici è nullo.
I quark che invece contribuiscono ai numeri quantici delle particelle sono detti quark
di valenza: in base al loro numero, gli adroni si dividono in barioni, con 3 quark, e
mesoni, con 2 quark. Poiché i quark sono dotati di spin semintero risulta che i barioni
sono fermioni mentre i mesoni sono bosoni.
I diversi tipi di quark sono chiamati sapori: essi vengono distinti in quark up, down,
charm, strange, top e bottom; sono caratterizzati dai numeri quantici di sapore, isospin
e carica elettrica che cambiano di segno per i rispettivi antiquark. Poiché i gluoni,
mediatori dell’interazione forte, sono ciechi al sapore, le interazioni forti non cambiano
i numeri quantici di sapore. I quark, che con i gluoni sono chiamati collettivamente
partoni, sono dotati inoltre di una particolare carica: il colore. Tale proprietà è necessaria
per assicurare che gli adroni rispettino il principio di Pauli: essa rappresenta un ulteriore
numero quantico che può assumere tre valori, chiamati per convenzione rosso, verde e
blu (r, g, b); analogamente gli antiquark sono dotati di anticolore r̄, ḡ e b̄. Con il colore,
dunque, gli adroni acquistano un ulteriore grado di libertà, in quanto possono essere
costituiti da diverse combinazioni di quark, a patto che la loro carica di colore totale sia
neutra: i barioni sono composti da tre quark di colori diversi, i mesoni da un quark e da
un antiquark di relativo anticolore.
Il colore sarà di capitale importanza nella descrizione dei fenomeni che caratterizzano la
transizione della materia nucleare dallo stato adronico a una nuova fase.
1.2
Transizione alla fase di QGP
Supponiamo a questo punto di aver a disposizione un gran numero di nucleoni e di
iniziare a comprimerli: inizialmente essi sono ancora distinguibili e preservano la loro
identità di adroni nonostante l’aumento di densità. Proseguendo nella compressione,
attorno ad un densità pari a 10 volte la normale densità nucleare, i nucleoni cominciano
a sovrapporsi e ogni quark può interagire con una moltitudine di altri quark presenti
nelle immediate vicinanze. A questo punto, il quark osservato non è più legato ai quark
Pag. 4
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
1.2. Transizione alla fase di QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
appartenenti ad un particolare adrone, come avveniva all’interno della materia nucleare
a densità standard, ma si trova in uno stato di deconf inamento. In questa situazione il
concetto stesso di adrone perde significato: a densità estreme, possiamo ragionevolmente
supporre di trovarci di fronte ad una nuova fase della materia i cui costituenti fondamentali sono i quark deconfinati. Un analogo effetto di deconfinamento può essere ottenuto
aumentando la temperatura del sistema: pur mantenendo la densità barionica costante,
l’elevata energia a disposizione provoca l’eccitazione delle particelle e ne aumenta la
frequenza degli urti al punto da rendere impossibile l’assegnazione del partone ad un
particolare adrone. Il deconfinamento può essere dedotto anche dall’osservazione della
forma della costante di accoppiamento dell’interazione forte αs . Tale costante, infatti,
dipende in realtà dalla distanza d di separazione fra i quark: a distanze molto piccole,
l’accoppiamento si annulla asintoticamente. Nel limite d → 0 i quark possono dunque
essere considerati come particelle libere: si parla in questo caso di libertà asintotica.
Quando invece d diventa grande, l’accoppiamento diventa talmente forte da rendere impossibile l’estrazione di un quark singolo dai nucleoni. La fase raggiunta attraverso i
processi qui schematicamente descritti, in cui quark e gluoni si muovono liberamente, è
stata chiamata plasma di quark e gluoni (QGP ). Una volta raggiunto l’equilibrio, esso
può essere descritto, dal punto di vista termodinamico, tramite l’equazione di Stefan Boltzmann (Eq. 1.2) che mette in relazione l’energia interna E di un sistema, occupante
un volume V, con la sua temperatura
E
= θT 4
(1.2)
V
con θ = 1300 GeV · f m−3 . Per energie di 1 GeV (scala tipica per un barione)
e densità ρ = 10ρ0 , la 1.2 porta alla determinazione di una temperatura critica Tc
(ricordiamo che temperatura ed energia sono legate dalla relazione E = kT con k la
costante di Boltzmann) per la materia adronica
Tc w 0, 2 GeV
(1.3)
Tale valore è stato proposto, per la materia interagente tramite la forza forte, come
soglia critica oltre la quale si ha la transizione di fase verso il QGP [2]. La compressione
della materia nucleare può essere raggiunta tramite un urto nucleo - nucleo che data la
brevità del processo (2-5 f m/c), da luogo ad una compressione praticamente adiabatica
dei nuclei partecipanti. L’energia fornita per singolo nucleo ed il numero di nucleoni
pienamente coinvolti nell’interazione, determinano la dimensione del sottovolume nel
quale il rilascio di energia è maggiore e dove quindi può aver luogo il deconfinamento.
Inoltre, secondo la termodinamica relativistica, ‘riscaldare’ la materia adronica porta
alla produzione di particelle e di conseguenza, ad un aumento della densità. Pertanto,
la materia fortemente interagente presenta un diagramma di fase T vs ρρ0 , ove T è la
temperatura e ρρ0 è la densità in rapporto a quella della materia nucleare standard. Nel
piano T ÷ ρρ0 si individua una curva limite per la materia adronica, al di là della quale
la densità assume valori talmente elevati da non permettere l’esistenza di adroni.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 5
1.3. Lo schermaggio di colore
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Si possono riassumere e visualizzare le considerazioni appena fatte con il diagramma
riportato in Figura 1.1.
Figura 1.1: Diagramma di fase per la materia nucleare: in ascissa la densità barionica, in
ordinata la temperatura del sistema (doppia scala logaritmica). Le frecce indicano il percorso
seguito dalla materia sul piano ρT in alcuni processi: il raffreddamento dell’universo, circa 1
µs dopo il Big Bang (Early Universe); la compressione a temperatura T v 0 dovuta al collasso
gravitazionale nelle stelle a neutroni (Neutron Stars); gli urti fra ioni pesanti ultrarelativistici
realizzati nei collisionatori AGS, SPS, RHIC e, in futuro, in LHC. La fascia grigia rappresenta il
dominio, in termini di energia e densità adronica, entro il quale si dovrebbe avere la transizione
di fase.
Esso mostra l’esistenza delle diverse fasi della materia in funzione della temperatura
e della densità adronica. La materia adronica ordinaria si trova nella regione di bassa
temperatura e bassa densità (dell’ordine di ρ0 w 0.17 f m−3 ). Aumentando la densità di energia attraverso il riscaldamento del sistema (quindi muovendosi lungo l’asse
delle ordinate) o la sua compressione (lungo le ascisse), la materia entra in una fase
di risonanze adroniche. Un ulteriore aumento della densità di energia provoca un’altra
transizione, conducendo la materia ad assumere le caratteristiche del plasma di quark
e gluoni. Gli urti tra ioni ultrarelativistici (ovvero con energie per nucleone superiori
a 10 GeV) realizzati in un collisionatore adronico, generano un sistema caratterizzato
da un’alta temperatura e una bassa densità barionica, con caratteristiche molto simili
a quelle possedute dalla materia dell’universo primordiale, alcuni microsecondi dopo il
Big Bang. Durante il processo di formazione delle stelle di neutroni, ove gli adroni sono
fortemente compressi fino a raggiungere densità molto alte a causa del collasso gravitazionale, si suppone invece che sia ugualmente raggiunta la fase QGP pur mantenendo
una temperatura vicina allo zero.
1.3
Lo schermaggio di colore
Andiamo ora ad approfondire l’effetto dell’alta densità partonica sulle interazioni tra
quark. Abbiamo già accennato alla forma del potenziale legante dei quark
VQCD (r) v σr
(1.4)
ove σ è la densità di energia per lunghezza di separazione. La condizione secondo cui
esistono libere solo particelle incolori prende il nome di conf inamento. Nel caso elettromagnetico, il potenziale coulombiano fra due particelle di segno opposto corrisponde
ad un campo di dipolo, le cui linee di forza si propagano in tutto lo spazio; nel caso
dell’interazione forte il termine σr conduce invece ad un cosiddetto tubo di flusso, ossia
le linee di forza sono tese e addensate tra i quark e l’energia del campo cresce linearmente
con la distanza.
I quark sono dunque confinati all’interno dell’adrone ed esso non può separarsi nelle
sue componenti colorate in quanto, come già accennato, questo processo richiederebbe
Pag. 6
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo
1.3. Lo schermaggio di colore
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Figura 1.2: Esemplificazione della distribuzione delle linee di forza a) per un campo di dipolo
tra due cariche elettriche e b) tra due quark.
un’energia infinita. In realtà ciò che accade è la rottura del tubo di flusso se la sua
dimensione supera una certa soglia specifica (tipicamente quando la separazione tra
quark raggiunge il valore di 1-2 f m). In tal caso, l’energia del campo viene convertita
in una coppia quark − antiquark ognuno dei quali si attacca ad uno dei due capi del
tubo di flusso, producendo in tal modo due nuovi adroni incolori. Tale processo prende
il nome di adronizzazione (Figura 1.3).
Figura 1.3: Visione schematica del processo di produzione di una coppia q − q̄ in conseguenza
dell’eccitazione di un adrone.
Tuttavia in un mezzo molto denso gli stati legati possono essere dissociati in un altro
modo: la presenza di un alto numero di quark induce una sorta di schermaggio della
carica di colore. Il fenomeno può essere descritto in analogia con il caso elettromagnetico.
Infatti, il potenziale coulombiano che agisce tra cariche elettriche
1
(1.5)
r
viene depresso dall’eventuale presenza di un alto numero di cariche nella regione
considerata. Il potenziale allora assume la forma
VEM (r) v
1
0
VEM
(r) v e−µr
r
(1.6)
−1
indica l’inverso della distanza di Debye, ovvero il raggio d’azione della
ove µ = rD
forza efficace tra due cariche in un mezzo. Quando tale raggio rD diventa minore della
distanza di legame atomico, per esempio per effetto di un aumento della densità elettronica, gli elettroni non risentono più dell’attrazione coulombiana del nucleo e ciò fa sı̀
che un isolante si trasformi in un plasma conduttore, composto da cariche libere come,
ad esempio, nel caso del Sole all’interno del quale le elevatissime temperature presenti
consentono agli elettroni di sfuggire al potenziale dei protoni e muoversi liberamente.
Possiamo applicare il medesimo ragionamento in ambito QCD. Il ruolo fin qui svolto dalla carica elettrica passa ora al colore. L’effetto di schermaggio in questo caso modifica il
potenziale in questo modo:
0
VQCD
(r)
1 − e−µr
v σr
µr
(1.7)
ove µ definisce ora la distanza di schermaggio di colore [3]. Il deconfinamento rappresenta dunque la transizione da isolante a conduttore nella trattazione QCD, attraverso
il passaggio dagli stati legati neutri ai loro singoli costituenti liberi e dotati di carica
di colore. I quark, in queste condizioni, non subiscono più l’influenza degli altri partoni a cui erano legati nella fase adronica e l’intero plasma può assumere configurazioni
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 7
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
che corrispondono a stati fisici QCD in cui le caratteristiche normalmente associate ai
quark, come per esempio la massa, subiscono importanti modifiche. Questi effetti si
ripercuotono poi sulla produzione di particelle da parte del sistema, sia in fase QGP
sia nella sua successiva evoluzione termodinamica, fornendo interessanti informazioni e
prove sperimentali dell’esistenza del plasma di quark e gluoni.
1.4
Evidenze sperimentali del QGP
L’obiettivo che ha condotto alla nascita dell’esperimento ALICE è quello di accertare,
in condizioni di elevata densità di energia, l’esistenza di una fase della materia le cui
caratteristiche siano simili a quelle associate dalle previsioni teoriche al plasma di quark
e gluoni e di studiarne appieno le proprietà. Poiché un sistema come il QGP sarà caratterizzato da una vita estremamente breve (v 10 f m/c), risulterà impossibile osservarne
direttamente l’esistenza e le proprietà, quindi gli sforzi dell’esperimento ALICE saranno rivolti all’osservazione di alcuni fenomeni che si suppone siano fortemente legati alla
comparsa di questa fase. Per interpretare correttamente tali fenomeni come prova del
QGP, nelle varie fasi dell’esperimento ALICE ci sarà spazio per approfondire la loro
osservazione in tre diversi momenti:
• nelle collisioni p+p
• in condizioni di confinamento, all’interno della materia nucleare prodotta nelle
collisioni p+Pb
• nelle collisioni Pb+Pb, per rilevare eventuali deviazioni nei processi osservati rispetto al normale comportamento tenuto nella materia nucleare confinata
Le prove più significative della comparsa del QGP, secondo quanto previsto dalle
teorie e dai recenti risultati sperimentali conseguiti con misure all’SPS del CERN ed a
RHIC, sono:
1. soppressione della produzione di J/ψ
2. ripristino della simmetria chirale
3. aumento della stranezza
4. perdita di energia nel mezzo
5. osservazione di radiazione γ diretta
Analizziamo più in dettaglio tali fenomeni.
Pag. 8
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
1.4.1
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Soppressione della produzione di J/ψ
Uno dei segnali più evidenti dello schermaggio di colore è la soppressione della produzione
di particelle J/ψ. La J/ψ rappresenta lo stato legato 1S di un quark charm con il suo
antiquark (cc̄) e ha massa MJ/ψ = 3.1 GeV. Le collaborazioni NA38 e NA51, studiando
le collisioni da p+p e p+d fino a p+A e S+U (a 200 AGeV per i nuclei di zolfo e uranio)
realizzate all’SPS del CERN, hanno ottenuto informazioni dettagliate sull’andamento
della soppressione della produzione di J/ψ. Nelle interazioni considerate, essa sembra
dipendere da fenomeni di assorbimento di J/ψ da parte della materia adronica incontrata durante il suo percorso nei nuclei interagenti [4]. Confrontando la produzione di
J/ψ nelle collisioni protone-protone con quella relativa alle interazioni protone-nucleo,
questo assorbimento determina una soppressione della J/ψ che cresce lentamente con il
numero dei nucleoni coinvolti e con la densità di energia che caratterizza l’interazione.
Poiché le condizioni sperimentali sono in questi casi ben lontane da quelle necessarie alla
creazione di una nuova fase, la soppressione della J/ψ a queste energie e in questi tipi di
interazione è da considerare del tutto scorrelata dalla presenza del QGP. Implementando
in un modello analitico i dati ricavati da questi esperimenti si è potuta ricavare una previsione sull’andamento della soppressione della J/ψ: la previsione è stata perfettamente
confermata anche in urti tra nuclei più pesanti su un intervallo che va dall’interazione
p+p fino alla collisione centrale S+U, dove le condizioni sono più simili a quelle che
dovrebbero favorire la creazione del plasma.
La previsione è stata però smentita nel caso di interazioni Pb+Pb: la collaborazione
NA50, che per la prima volta ha fatto collidere ioni di piombo con un energia di 158
GeV per nucleone, ha riscontrato un evidente scostamento dei dati sperimentali da quelli
attesi. Il grafico 1.4 mostra l’andamento della produzione di J/ψ al variare dell’energia
trasversa ET ; tale variabile rappresenta l’energia relativa al moto nel piano trasverso al
fascio all’asse del fascio incidente e aumenta via via che l’urto coinvolge più centralmente
i nuclei.
Figura 1.4: Produzione di J/ψ in funzione della centralità degli urti (espressa in energia sul
piano trasverso ET ) misurata dall’esperimento NA50 in collisioni Pb-Pb a 158 GeV per nucleone.
Come mostrato nel grafico, l’estrapolazione basata sulle interazioni precedentemente
studiate prevede che la produzione di J/ψ decresca lentamente all’aumentare dell’energia trasversa, fino a diventare costante per valori di ET superiori ai 100 GeV. I risultati
dell’esperimento NA50, pur confermando tali previsioni nel caso di collisioni periferiche,
indicano invece una soppressione molto forte della produzione di J/ψ per urti centrali [5].
Osservando l’andamento di tale produzione in funzione dell’energia trasversa, e quindi
della centralità dell’interazione1 , notiamo che per ET = 100 GeV il valore sperimentale
risulta pressoché dimezzato rispetto a quello atteso [6].
1
Misure effettuate a RICH hanno evidenziato come la densità di energia trasversa dET /dη aumenti
pressoché linearmente con la centralità della collisione, espressa in ‘Numero di nucleoni partecipanti’
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 9
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Un effetto cosı̀ evidente non può essere attribuito alla normale interazione adronica ma
deve far supporre piuttosto la comparsa di una nuova fase della materia dalle caratteristiche molto differenti, che è stata individuata nel plasma di quark e gluoni. In tale
fase, in cui la densità di energia è talmente elevata da causare il deconfinamento dei
quark che compongono i nucleoni coinvolti, si dovrebbe assistere allo schermaggio della
carica caratteristica dei quark, ovvero il colore. In tali condizioni, una coppia di quark cc̄
prodotta dalla fusione di due gluoni durante una collisione fra nuclei non riesce a legarsi.
All’interno del QGP infatti lo schermaggio di colore riesce a dissolvere il legame tra c e
c̄ e a separarli [12]. In fase di raffreddamento poi, quando la materia raggiunge la soglia
di confinamento, se la distanza tra i due quark si mantiene superiore alla corrispondente
lunghezza di Debye, l’interazione è inibita. Poiché inoltre la probabilità di un’ulteriore
produzione termica di coppie cc̄ è trascurabile a causa della massa elevata del quark
charm (Mc = 1.4 GeV), un quark c è costretto a legarsi con un antiquark più leggero,
andando a creare un mesone D [17]. La produzione di stati legati di quark e antiquark
charm come la J/ψ risulta dunque depressa in presenza di un plasma di quark e gluoni.
1.4.2
Ripristino della simmetria chirale
La massa dei mesoni prodotti durante gli urti tra ioni pesanti è un’altra via per studiare
il plasma di quark e gluoni. Essa, infatti, è legata alla simmetria chirale di quark e
gluoni: il ripristino di tale simmetria che in condizioni normali è spontaneamente rotta,
dovrebbe essere un indizio dell’esistenza di tale fase. Per descrivere per sommi capi il
significato di questo indizio, definiamo prima di tutto il concetto di simmetria chirale.
Essa riassume le proprietà destrorse e sinistrorse di un sistema fisico. Nel caso in cui
tale sistema sia costituito da una particella, per esempio, la chiralità rappresenta la
proiezione dello spin lungo la direzione del moto: ~σ · p~. Nel nostro caso, gli stati fisici
che ci interessano sono costituiti da quark e gluoni, la cui interazione è descritta dalla
Cromodinamica Quantistica.
In tale modello, la massa attribuita ai quark è quasi nulla, mq v 0, e il sistema si
trova in uno stato simmetrico per trasformazioni chirali. Nella fase confinata, invece, gli
adroni si comportano come se i propri costituenti avessero una massa non trascurabile:
nei nucleoni, ad esempio, la massa dei quark u e d della materia allo stato ordinario
è considerata pari a un terzo della massa dei nucleoni (mq = m3n w 0.3 GeV ). La
variazione di massa tra fase deconfinata e confinata indica una rottura spontanea della
simmetria: ogni sistema fisico tende a stabilizzarsi nello stato con energia minima e nel
nostro caso lo stato fondamentale del quark non è simmetrico per trasformazioni chirali
e prevede per il partone una massa non nulla [3]. Una rappresentazione intuitiva della
rottura spontanea della simmetria viene fornita in Figura 1.5.
Il quark, rappresentato dalla sfera, tende a occupare lo stato con energia minore: nella
configurazione (a), esso corrisponde ad uno stato simmetrico; nella (b), che schematizza
la situazione del quark all’interno di un nucleone, il partone è costretto a rompere la
[7, 8]
Pag. 10
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1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Figura 1.5: La rottura spontanea della simmetria chirale. Il quark è rappresentato da una
sfera. Nel disegno di sinistra esso si trova nello stato di minima energia del potenziale il quale è
simmetrico per trasformazioni chirali. Nel disegno di destra, invece, mentre il potenziale è ancora
simmetrico, lo stato di minima energia no; poiché il quark tende ad occupare lo stato di minima
energia, la simmetria risulterà cosı̀ spontaneamente rotta.
simmetria, cioè a occupare uno stato asimmetrico [10]. Analogamente, ripercorrendo
la transizione di fase in senso inverso dalla materia confinata al QGP, a temperature
e densità abbastanza alte il moto termico dovrebbe dar luogo ad un ripristino della
simmetria chirale, con conseguente variazione di massa mQ → mq . Uno degli obiettivi
dell’esperimento ALICE è dunque studiare gli effetti che la materia nucleare calda e
densa, sia sotto forma di gas adronico sia in fase deconfinata, provoca sulla massa dei
mesoni prodotti nelle interazioni tra ioni pesanti. Un’eventuale variazione di tale massa
concorrerebbe a provare l’esistenza del plasma di quark e gluoni.
1.4.3
Aumento della stranezza
Un altro effetto della variazione della massa dei quark nel QGP è l’aumento della produzione di particelle strane. Come già riferito in precedenza, la classificazione dei
quark ne individua 6 tipi diversi (u, d, s, c, t e b) ognuno dotato del proprio antiquark. Ogni quark ha numero quantico di sapore non nullo solo relativamente al proprio
sapore; quindi i valori di stranezza S sono S = -1 per il quark strano s e S = +1 per
il relativo antiquark s̄. Ogni sapore, ivi compresa la stranezza, si conserva nelle interazioni forti: durante un’interazione non vengono cioè creati quark strani se non in
compagnia dei relativi antiquark, cosicché il contributo alla stranezza sia sempre nullo
(Sss̄ = Ss + Ss̄ = (−1) + (+1) = 0), e tali coppie sopravvivono fino alla fine dell’interazione. Ogni particella inoltre possiede una carica di stranezza pari alla somma algebrica
della stranezza dei quark e antiquark di cui è costituita. L’ipotesi che descrive in modo
più convincente la formazione delle coppie di quark nelle collisioni illustra in questo modo il processo: la collisione implica l’interazione di cariche di colore con il vuoto QCD,
ovvero lo stato a minima energia in cui si presenta inizialmente il sistema di quark e
gluoni, che viene eccitato da questa interazione e conseguentemente neutralizza tale eccitazione attraverso la creazione di coppie quark-antiquark e di gluoni. Quando il plasma
eccitato si espande e si raffredda nel processo di adronizzazione, i quark e i gluoni si
ricombinano in modo da produrre gli adroni secondari osservati alla fine del processo, i
quali conservano a loro volta le caratteristiche dei costituenti da cui sono stati originati.
Il sistema viene ben descritto da un modello teorico col quale si possono descrivere e
prevedere anche le abbondanze relative degli adroni secondari. Rispetto a tale modello,
però, si riscontra ben presto una deviazione nell’andamento della produzione di particelle strane: fin dalle collisioni più semplici, come gli urti e+ + e− , p + p e p + p̄ per
poi andare fino alle p + A e A + A, si osserva sperimentalmente una soppressione nella
produzione di particelle strane rispetto alla corrispondente produzione di coppie di quark
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Pag. 11
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
¯ Dobbiamo sottolineare che tale fenomeno si osserva anche in interazioni e+ +
uū e dd.
e− in presenza di pochissimi adroni prodotti e che quindi non può essere spiegato come
un effetto delle interazioni tra adroni nello stato finale [6].
La ragione di questa soppressione va dunque ricercata a monte, ovvero al momento della
formazione della coppia ss̄. A causa della massa elevata dei quark strani (ms w 0.5 GeV)
rispetto a quella dei quark leggeri (mu,d w 0.3 GeV), è necessaria una maggiore quantità
¯ la produzione di particelle strane
di energia per creare la coppia ss̄ rispetto alle uū e dd:
risulta dunque più difficile a causa della differenza di massa tra quark. Al limite in cui
tale differenza diventa sempre meno importante, si dovrebbe notare una diminuzione
della soppressione della stranezza. Secondo le teorie elaborate al riguardo, tale limite
viene raggiunto nel plasma di quark e gluoni: in tale fase, caratterizzata dal deconfinamento e dallo schermaggio di colore, le differenze di massa diventano trascurabili con la
conseguenza che i quark u, d ed s compaiono in uguale abbondanza [17].
Un’altra causa dell’aumento delle particelle strane prodotte potrebbe risiedere nella soppressione della produzione di coppie uū e dd¯ a vantaggio delle coppie ss̄, dovuta al
principio di esclusione di Pauli. Data la grande concentrazione di quark u e d (che sono
fermioni e quindi seguono il principio di Pauli) nel sistema prodotto durante le collisioni, infatti, il livello libero più basso a disposizione di un nuovo quark u o d prodotto
nell’interazione dovrebbe avere un’energia comparabile con quella necessaria a produrre
una coppia ss̄. La produzione di particelle strane sarebbe quindi favorita a scapito dei
quark leggeri. Qualunque sia la causa dell’aumento dell’abbondanza relativa di particelle
strane, se il raffreddamento del QGP procedesse poi abbastanza rapidamente da conservare tale abbondanza, lo stato finale ottenuto da un QGP adronizzato prodotto dalle
interazioni Pb + Pb dovrebbe contenere un maggior numero di adroni strani rispetto
allo stato adronico prodotto dalle interazioni p + p, cioè senza un QGP iniziale.
In effetti i risultati sperimentali confermano questo ragionamento. Il fenomeno fu osservato all’SPS del CERN già nelle collisioni S + S e S + Ag con E = 200 AGeV studiate
dalla collaborazione NA35 e nelle collisioni Pb + Pb con E = 165 AGeV della NA49.
Confrontando le misurazioni di questi esperimenti con i dati relativi alle collisioni e+
+ e− , p + p e p + p̄ si nota subito un aumento globale della stranezza. Tale aumento globale può essere quantificato con un parametro che tenga conto delle coppie di
¯
quark-antiquark strani mediamente prodotte rispetto alle coppie uū e dd:
λAA
=
s
2 hs + s̄i
w 2λpp,ee
s
¯
hu + ūi + d + d
(1.8)
Come si vede in Figura 1.6, l’abbondanza relativa della stranezza globale raddoppia
nelle collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici.
Figura 1.6: Incremento della produzione di particelle strane nelle diverse collisioni: negli urti tra
nuclei pesanti la produzione di coppie strane risulta raddoppiata rispetto agli urti tra particelle
leggere [6].
Pag. 12
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
Oltre alla stranezza globale, sono stati rilevati anche aumenti specifici nella produzione delle particelle strane K, K̄, Λ, Λ̄, Ξ, Ξ̄, Ω e Ω̄ nelle collisioni Pb + Pb, confrontandola con la produzione in collisioni p + Be. L’abbondanza relativa di adroni
strani, in particolare, aumenta fortemente nelle collisioni centrali Pb + Pb. Quanto
appena detto è stato oggetto di studio approfondito dell’esperimento WA97 (Figura 1.7)
realizzato al CERN con lo scopo di misurare la produzione di particelle strane in un
GeV
). In un urto di tal
urto frontale piombo - piombo alle energie del SPS (w 170 nucleone
genere vengono a prodursi migliaia di particelle, tra le quali quelle strane costituiscono
una minoranza (inferiori al 2%). Per stabilire se in una collisione piombo - piombo si
sia verificata una produzione più abbondante di particelle strane si rende necessario il
confronto con interazioni che coinvolgano un numero molto piccolo di nucleoni (idealmente due soltanto). Pertanto l’esperimento è stato ripetuto con un fascio di protoni
incidenti sia su un bersaglio di piombo che su un bersaglio di berillio. Ciò ha permesso
di osservare un effettivo incremento (fino a 15 volte) della produzione di particelle strane
nelle collisioni tra nuclei pesanti rispetto a quelle tra nuclei leggeri, nelle quali si ritiene
che la densità di energia sia insufficiente alla produzione del QGP.
Figura 1.7: Rappresentazione grafica dei risultati dell’esperimento WA97. In ascissa è riportato
il numero di nucleoni partecipanti all’urto, in ordinata il numero delle particelle strane prodotte
negli urti p - Be, p - Pb, Pb - Pb. Le misure sono normalizzate al numero di particelle strane
prodotte in un urto p - Be. [14]. I due grafici mostrano i risultati per diversi tipi di iperoni.
L’esperimento WA97 ha permesso di misurare l’incremento di stranezza anche in
funzione del numero di nucleoni partecipanti all’interazione. Si ha infatti che quanti più
nucleoni partecipano alla collisione, tanto maggiore è l’energia in gioco e di conseguenza
la probabilità che si inneschi lo stato di plasma unitamente alla molteplicità di particelle
secondarie nello stato finale. L’intervallo all’interno del quale sono comprese le misure va
da 100 nucleoni (semplice sfioramento) fino alla totalità dei nucleoni presenti nei nuclei di
piombo (urto totalmente frontale). In questo intervallo, l’incremento per ciascuna delle
particelle strane considerate risulta proporzionale al numero di nucleoni partecipanti.
Pertanto se ne deduce che il cambiamento di regime nella produzione di barioni strani
(dovuto allo stato di plasma o ad un qualche altro processo) avviene già con meno di
100 nucleoni coinvolti, quindi al di sotto del limite inferiore di partecipanti studiato da
WA97.
Sulla base dei risultati ottenuti da WA97 è stato concepito l’esperimento NA57 il
quale ha permesso lo studio di urti coinvolgenti fino a 50 nucleoni, oltre che collisioni
ad energia più bassa (dai 148 GeV utilizzati in WA97 a 40 GeV), estendendo in tal
modo gli intervalli esplorati da WA97. Nel grafico 1.8 sono mostrate le abbondanze per
partecipante osservate dalla collaborazione NA57 nelle interazioni p + Pb e Pb + Pb: i
dati sono normalizzati rispetto alle abbondanze osservate nelle interazioni p + Be e sono
riportati in funzione del numero medio dei partecipanti alle interazioni. Come si nota,
l’aumento dell’abbondanza di una particella è tanto più elevato quanto più alta è la carica
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 13
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
di stranezza della particella stessa, fino a raggiungere un aumento di circa un fattore 20
per la particella Ω (ricordiamo che la particella Λ contiene un quark (anti)strano, la Ξ ne
contiene 2, la Ω ne contiene 3). Nell’esperimento NA57 sono state studiate le collisioni
con un numero di nucleoni partecipanti che varia da circa 50 (urti periferici) fino a 416
(urti Pb + Pb completamente centrali); si vede come l’incremento di stranezza specifica
sia proporzionale al numero di partecipanti coinvolti.
Figura 1.8: Incremento della stranezza specifica misurato nell’esperimento NA57: è riportato
il numero di particelle prodotte nelle varie interazioni (all’energia di 158 GeV per nucleone),
normalizzato rispetto alla produzione osservata in urti p + Be in funzione del numero medio
di nucleoni partecipanti all’interazione [15]. I due grafici mostrano i risultati per diversi tipi di
iperoni.
Le collisioni sono state realizzate a due diverse energie (a 40 GeV per nucleone e
158 GeV per nucleone): all’energia minore, i risultati hanno mostrato un’evidente soppressione dell’incremento di stranezza. Si ritiene dunque che il brusco aumento della
produzione di barioni strani abbia inizio ad un energia intermedia tra i 40 GeV e i 158
GeV.
I risultati preliminari ottenuti a RHIC [16], nell’esperimento STAR in collisioni Au√
Au all’energia S = 200GeV , confermano la tendenza osservata negli esperimenti del
CERN ossia un aumento della produzione di particelle strane in funzione del numero di
nucleoni partecipanti all’interazione (Figura 1.9).
Figura 1.9: Fattori relativi all’aumento della stranezza misurati in collisioni Pb-Pb al CERN
(a) e collisioni Au-Au al RHIC. I dati sono normalizzati rispetto alle abbondanze osservate nelle
interazioni p-Be e p-p rispettivamente [16].
Cosı̀ come nei dati CERN, la stranezza è effettivamente aumentata con l’aumento
del numero dei nuclei partecipanti; i fattori di aumento si incrementano passando da Λ
a Ξ a Ω ma quelli raggiunti in collisioni centrali sono tipicamente più piccoli rispetto a
quelli ottenuti all’SPS.
All’esperimento ALICE spetta dunque l’importante compito di verificare l’andamento della produzione di stranezza lungo tutto l’intervallo di valori di energia e di numero di
partecipanti, tenendo ben presente questa considerazione: poichè l’aumento di stranezza viene osservato anche nelle collisioni protone-protone al crescere dell’energia o della
molteplicità associata, tale fenomeno non è necessariamente legato alla presenza della materia nucleare, e ancora meno al deconfinamento di colore. Prima di utilizzare
la stranezza come prova del deconfinamento caratteristico del QGP bisogna dunque
definirne esattamente il normale comportamento, come lo si è osservato nelle collisioni p
- p scorrelate dalla possibile formazione del QGP. Una volta fatto ciò, si può procedere
con l’analisi dei risultati di quelle che si ritengono essere, tra tutte le collisioni avvenute,
Pag. 14
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
quelle abbastanza centrali da far insorgere effetti aggiuntivi legati all’andamento della
produzione di particelle strane.
1.4.4
Perdita di energia nel mezzo
Un’ulteriore prova della comparsa del QGP sarà ricercata nell’andamento della produzione di particelle ad alto momento trasverso e della correlazione azimutale dei getti
prodotti.
Le previsioni teoriche indicano una rilevante perdita di energia per i partoni ad alto
momento che attraversano un mezzo denso e caldo come il QGP. Tale perdita di energia
avviene soprattutto per radiazione di gluoni (gluon bremsstrahlung) [11]: un partone
molto energetico perde energia durante il passaggio nel QGP sia a causa dello scattering anelastico multiplo cui è sottoposto, sia a causa dell’emissione di gluoni indotta.
Questo fenomeno si rileva sperimentalmente nell’effetto di jet quenching, ovvero nella
soppressione di getti ad alto momento trasverso. La perdita di energia descritta non è
un effetto peculiare della propagazione attraverso un mezzo deconfinato, tuttavia è lecito
aspettarsi che esso sia più evidente in presenza del QGP, ove un partone energetico può
interagire con partoni a loro volta più energetici e numerosi rispetto al caso di un mezzo
confinato [12, 13].
Lo stesso processo di interazione tra particelle ad alto momento con il mezzo è anche
alla base del fenomeno di soppressione della correlazione azimutale tra getti. In assenza
di deconfinamento, infatti, ad un getto di particelle prodotto ed emesso in seguito ad un
urto, corrisponde l’emissione di un getto nella direzione con angolo azimutale opposto
al primo. Ciò che invece è stato osservato negli urti Au + Au realizzati nell’esperimento
STAR indica una deviazione da questo comportamento: mentre negli urti periferici sono
visibili entrambi i getti, nelle collisioni centrali se ne osserva solamente uno [20]. Ciò è
stato interpretato come effetto dell’assorbimento di uno dei due getti da parte del mezzo denso e caldo prodotto dalle collisioni centrali; l’altro getto, dovendo probabilmente
percorrere una minore distanza, riesce invece ad emergere dal mezzo.
1.4.5
Emissione di radiazione γ diretta
La ricerca del QGP si basa anche sull’analisi di effetti interni, cioè prodotti direttamente
dal plasma. In concreto tali effetti sono rappresentati da particelle che devono rispettare
un’importante condizione: esse devono lasciare la materia che si sta osservando senza
essere modificate da interazioni successive; di conseguenza possono essere solamente particelle interessate da interazione debole o elettromagnetica.
I principali candidati per questo tipo di prova sono i fotoni diretti. Essi dovrebbero
essere prodotti durante la fase QGP soprattutto in processi quali l’annichilazione di coppie quark-antiquark (q q̄ → gγ) e l’assorbimento di un gluone da parte di un quark con
conseguente emissione di un fotone (qg → qγ o q̄g → q̄γ) [18].
I fotoni prodotti in processi di questo tipo hanno una distribuzione in energia e momento del tutto simile ai due partoni interagenti da cui sono stati prodotti. Essi dunque
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 15
1.4. Evidenze sperimentali del QGP
Capitolo
1. La Fisica dell’esperimento ALICE
trasportano importanti informazioni sulla materia deconfinata. Tuttavia non è semplice
discriminare i fotoni diretti dal fondo dei fotoni prompt, ovvero quelli prodotti dalle
collisioni iniziali nucleo-nucleo, e dei fotoni di decadimento adronico dello stato finale
[19].
Gli ultimi sviluppi della ricerca in questo campo hanno permesso di osservare i fotoni
prodotti nelle reazioni p + p e p + A. In questi esperimenti si opera al fine di discriminare
i fotoni diretti da quelli provenienti da decadimento adronico, ma i risultati sono ancora
piuttosto controversi. Per quanto riguarda le collisioni nucleo - nucleo ad alta energia, i
fotoni diretti non possono essere identificati in via diretta a causa dell’alta molteplicità
adronica. E’ possibile però sottrarre il fondo di fotoni di decadimento ricostruendolo a
partire dagli adroni misurati.
In questo modo, l’esperimento WA98 è riuscito a osservare fotoni diretti in collisioni
centrali Pb + Pb all’energia di 158 GeV per nucleone. Lo spettro ricavato mostra un
evidente eccesso rispetto al fondo, per fotoni con momento trasverso compreso tra 1.5 e
3.5 GeV/c. Risultati preliminari ottenuti al RICH, nell’esperimento PHENIX [9], sembrano confermare quanto ottenuto da WA98 in quanto si è osservato un eccesso di fotoni
con momento trasverso maggiore di 4 GeV/c (Figura 1.10).
Figura 1.10: Risultati dell’esperimento PHENIX relativi alla misura di fotoni diretti per 5
√
diversi valori di centralità per collisioni Au-Au all’energia s = 200 GeV. La curva continua
rappresenta il calcolo teorico in perturbative − QCD (pQCD) in caso di collisione p-p, mentre
la regione colorata rappresenta la variabilità dei risultati in pQCD nel range pT /2 − 2pT .
La ricerca dei fotoni diretti sarà continuata dall’esperimento ALICE: nelle condizioni
operative previste, la maggiore temperatura e la più lunga sopravvivenza del plasma
di quark e gluoni rispetto ai precedenti esperimenti dovrebbe causare un’abbondante
produzione di fotoni. Le stime più accreditate prevedono l’esistenza di un intervallo in
prossimità di pt = 2 GeV/c in cui dovrebbe dominare il contributo del QGP.
Pag. 16
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo 2
L’esperimento ALICE
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è un esperimento progettato ed ottimizzato per l’osservazione delle collisioni fra nuclei pesanti presso il collisionatore LHC del
CERN. La sua attività ha come obiettivo primario la scoperta e lo studio di una nuova
fase della materia chiamata Plasma di Quark e Gluoni (QGP).
Il programma di lavoro, nel quale sono coinvolte circa un migliaio di persone, e il sistema di rivelazione di ALICE sono stati progettati in modo da poter operare lo studio
del QGP in condizioni di energia e luminosità mai raggiunte prima. Questo permetterà
non solo di confermare i risultati degli esperimenti precedenti (fatto che costituisce solo
un punto di partenza) ma soprattutto di estendere gli intervalli operativi finora esplorati variando l’energia e il numero dei nucleoni coinvolti nelle interazioni, aprendo in tal
modo un possibile scenario di nuova fisica. Durante le varie fasi dell’esperimento sarà
possibile ottenere un’enorme mole dati e quindi fornire una descrizione completa e coerente del comportamento della materia nucleare al variare delle condizioni al contorno,
evidenziando gli effetti della comparsa del QGP [21, 22, 23].
L’attività sperimentale di ALICE inizierà nel 2007 per una durata prevista di 10 anni;
l’apparato sperimentale è in via di allestimento presso il pozzo ex L3 nel tunnel che
ospiterà LHC. Iniziamo dunque descrivendo brevemente il programma di massima dell’attività sperimentale. Analizzeremo in seguito le caratteristiche tecniche e fisiche del
rivelatore di ALICE.
2.1
Il programma sperimentale di ALICE
L’attività all’LHC, cosı̀ come per gli altri esperimenti su ioni pesanti realizzati presso
gli acceleratori SPS e RHIC, è stata programmata con due obiettivi principali: far
collidere svariati tipi di nuclei alla maggiore energia raggiungibile e studiare in maniera
sistematica diversi tipi di urti e diverse energie di fascio. Poiché esistono numerose
possibili combinazioni in base al tipo di ioni ed ai valori di energia, il programma di
lavoro di ALICE potrà essere modificato in corso d’opera per far fronte alle richieste
17
2.1. Il programma sperimentale di ALICE
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
che emergeranno. LHC seguirà sostanzialmente la filosofia operativa con cui è stato
gestito SPS: ogni anno vi si realizzeranno collisioni tra protoni per alcuni mesi, con una
frequenza quantificabile in un tempo effettivo di 107 sec/anno, seguite da un periodo di
urti fra ioni pesanti per circa 106 sec/anno. Anche dopo i primi due anni, in cui l’LHC
sarà dedicato principalmente all’accelerazione di protoni, si continueranno comunque
a realizzare, negli anni a seguire, collisioni p-p per brevi periodi al fine di calibrare il
rivelatore prima di ogni ciclo di urti tra ioni pesanti.
Il programma di massima per l’attività di ALICE si può riassumere nei seguenti punti
[21]:
• cicli di urti p+p a
√
s = 14 TeV a cadenza regolare
• programma iniziale dell’attività con ioni pesanti:
1. ciclo pilota Pb + Pb
2. 1-2 anni di Pb + Pb all’energia di 5.5 TeV per coppia di nucleoni
3. 1 anno di collisioni del tipo p + Pb (ovvero p + Pb, d + Pb o α + Pb) in modo
da ottenere dati che costituiranno un punto di riferimento per l’interpretazione
delle misure Pb-Pb
4. 1-2 anni di collisioni Ar + Ar in modo da poter sondare la dipendenza dei
risultati dalla densità di energia in gioco
I risultati sperimentali ottenuti in questa prima fase indicheranno la via da seguire
negli anni successivi. A tal proposito sono state prese in considerazione diverse ipotesi
di lavoro, di cui riportiamo un breve elenco:
√
• ciclo di collisioni p + p all’energia di s = 5.5 TeV, ovvero alla stessa energia per
nucleone prevista per le collisioni Pb + Pb, in modo da confrontare direttamente
i dati ottenuti nelle due situazioni
• osservazione di urti A + A tra ioni con massa intermedia (come N+N, O+O,
Kr+Kr o Sn+Sn) per sondare le interazioni in un ampio intervallo di densità di
energia variando il numero di nucleoni coinvolti nell’interazione; in particolare le
collisioni di azoto e ossigeno, che sono gli elementi più abbondanti nell’atmosfera,
saranno utili per lo studio dei raggi cosmici
• cicli di urti p + A con nuclei differenti per descrivere la dipendenza della densità di
energia dal numero di nucleoni coinvolti e per ottenere una migliore interpretazione
dei risultati delle collisioni A + A
• collisioni Pb + Pb a energie minori al fine di ottenere un riscontro con i risultati
ottenuti dagli esperimenti realizzati al RHIC
• ulteriori urti Pb + Pb ad alta energia per aumentare la statistica relativa agli
eventi rari osservati nel corso dei cicli iniziali dell’esperimento
Pag. 18
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo
2.2. Le condizioni sperimentali
2.2
2. L’esperimento ALICE
Le condizioni sperimentali
Prima di fornire una panoramica sull’apparato sperimentale di ALICE, introduciamo
alcune grandezze utili per caratterizzare gli eventi sperimentali e conseguentemente, per
definire le caratteristiche del sistema.
Iniziamo con la pseudorapidità di una particella: essa è definita come
η = −ln(tanθ/2)
(2.1)
ove θ indica l’angolo polare di emissione nel centro di massa rispetto alla direzione
del fascio. Per energie relativistiche, la pseudorapidità di una particella è approssimativamente pari alla sua rapidità, definita come
1 E + pL
y = ln
2 E − pL
(2.2)
ove E è l’energia totale della particella e pL è la componente del momento lungo la
direzione del fascio.
Tipicamente, quindi, con l’espressione rapidità media o centrale si intende un intervallo
centrato intorno ad η = 0, che corrisponde ad un angolo di emissione nel centro di massa
θ = π/2.
Un altra grandezza di grande importanza per la progettazione dei rivelatori è la molteplicità di particelle cariche: essa rappresenta il numero di particelle cariche prodotte in
un’interazione e normalmente si usa indicarne la densità per unità di rapidità. Le stime
teoriche più recenti prevedono che la molteplicità raggiunta nelle collisioni centrali Pb
+ Pb realizzate all’LHC sarà compresa tra le 2000 e le 6000 particelle cariche per unità
di rapidità, nella regione di media rapidità, mentre le estrapolazioni dai dati ricavati al
RHIC indicano un valore di circa 3500: poiché i rivelatori di ALICE sono stati progettati
per trattare fino a 8000 particelle cariche per unità di rapidità, dovrebbe essere garantito
un discreto margine di sicurezza.
Concludiamo tale analisi preliminare considerando un’ulteriore grandezza di capitale importanza per una corretta scelta delle caratteristiche dei rivelatori: la luminosità del fascio. All’inizio di ogni ciclo di collisioni Pb + Pb essa dovrebbe essere pari a 1027 cm−2 s−1 ;
tale valore rappresenta anche la massima luminosità alla quale i rivelatori possono operare efficientemente. Per quanto riguarda l’apparato di rivelazione, le limitazioni più stringenti legate alla luminosità provengono dalla camera a proiezione temporale (T P C) e
dallo spettrometro muonico.
La TPC è vincolata dalla probabilità di sovrapposizione di eventi durante il tempo di
deriva caratteristico della rivelazione (v 88 µs). Visti i margini di sicurezza con cui è
stato progettato ALICE, la TPC potrà probabilmente lavorare a luminosità maggiori
di 1027 cm−2 s−1 , ma con un’efficienza di tracciamento minore. La limitazione per lo
spettrometro muonico è pari a circa 1028 cm−2 s−1 .
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 19
2.3. L’apparato sperimentale di ALICE
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
In ogni caso, dunque, la luminosità attesa durante le collisioni Pb + Pb risulta inferiore alle massime luminosità accettate dai rivelatori. Per quanto riguarda le collisioni
p + p all’energia di 14 TeV nel centro di massa, la luminosità del fascio sarà limitata
a 1030 cm−2 s−1 nella regione di interazione di ALICE, corrispondente a una frequenza delle collisioni pari a circa 200 kHz. Tale luminosità sarà utilizzata per lo studio
di processi fisici rari, mentre sarà ridotta a 1029 cm−2 s−1 per osservare i processi con
elevata sezione d’urto e studiare le proprietà globali degli eventi, consentendo cosı̀ ai
rivelatori (in particolare TPC e SDD) di operare in condizioni accettabili, evitandone la
saturazione (per lo spettrometro muonico il limite sulla luminosità sale a 5 · 1031 cm−2
s−1 in caso di collisioni p-p). Per questo stesso motivo questa minore luminosità sarà
utilizzata anche nelle collisioni p + A.
2.3
L’apparato sperimentale di ALICE
L’apparato sperimentale di ALICE è stato progettato e realizzato con lo scopo di mettere in luce tutti i segni distintivi, discussi nel capitolo precedente, che permetteranno
di identificare il QGP, come spiegheremo in questo paragrafo. In particolare i rivelatori
di ALICE sono stati messi a punto per misurare e identificare adroni, leptoni e fotoni di
media rapidità prodotti nelle interazioni; sono stati inoltre ottimizzati in modo da poter
soddisfare al meglio le esigenze di tracciamento e identificazione di particelle con momento trasverso che varia da valori molto bassi (v 100 MeV/c) fino a valori abbastanza
alti (v 100 GeV/c). Essi dovranno inoltre permettere la ricostruzione delle traiettorie
di particelle a vita breve in presenza di un’alta molteplicità di particelle cariche, fino a
8000 per unità di rapidità, a rapidità media. Nel suo complesso, il rivelatore di ALICE
è visibile in figura 2.1, in sezione trasversa in figura 2.2 ed in sezione longitudinale in
figura 2.3.
Figura 2.1: Rappresentazione pittorica dell’apparato sperimentale di ALICE. Intorno al punto
di interazione sono collocati i rivelatori per il tracciamento e per l’identificazione delle particelle,
immersi nel campo magnetico prodotto dal magnete solenoidale L3. Esternamente a tale magnete
si nota il magnete dipolare utilizzato dallo spettrometro muonico. Non sono rappresentati in
figura i calorimetri adronici ZDC, in quanto si trovano ad oltre 100 metri di distanza dal gruppo
principale di rivelatori. Nel prosieguo del testo daremo una breve descrizione dei rivelatori e dei
loro compiti in ALICE.
Figura 2.2: Spaccato trasversale del magnete L3 e dei rivelatori che in esso saranno alloggiati.
Figura 2.3: Sezione longitudinale dell’apparato sperimentale di ALICE.
Nel suo complesso, il sistema di rivelatori può essere suddiviso in due macro strutture,
una interna ed una esterna al magnete L3 (fornente un campo solenoidale di intensità
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Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
2.3. L’apparato sperimentale di ALICE
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
nominale pari a 0.5 T). La regione interna comprenderà il Sistema di Tracciamento Interno (ITS) costituito da rivelatori al silicio, una Camera a Proiezione Temporale (TPC),
un Rivelatore a Radiazione di Transizione (TRD) ed una serie di rivelatori per la misura
del Tempo di Volo (TOF). In direzione perpendicolare a quella del fascio, saranno presenti due ulteriori tipologie di rivelatori: una serie di rivelatori Cherenkov che serviranno
all’identificazione, tramite fotoni Cherenkov, di adroni ad alto impulso (High Momentum
Particle Identification Detector, HMPID) ed una serie di cristalli per il rilevamento di
fotoni (PHOton Spectrometer, PHOS).
La regione esterna comprenderà uno spettrometro per muoni, alcuni calorimetri
adronici (Zero Degree Calorimeters, ZDC, non presenti nelle immagini qui riportate
in quanto alloggiati ad oltre cento metri dal gruppo principale di rivelatori) ed altri rivelatori di dimensioni più contenute e posizionati a distanze maggiori dalla zona d’impatto
i quali, oltre a misurare la molteplicità delle particelle cariche, contribuiranno allo studio
della geometria dell’impatto.
Diamo ora una breve descrizione dei rivelatori appena elencati [22].
• Inner Tracking System (ITS): il sistema di tracciamento interno, su cui ci soffermeremo in modo più approfondito nel seguito, costituisce il gruppo di rivelatori più
vicino al volume d’interazione. Esso è costituito da 6 strati cilindrici concentrici di
rivelatori al silicio, il cui asse coincide con quello del fascio del collisionatore. Essi
circonderanno la zona d’impatto e misureranno, oltre alla molteplicità, posizione e
rilascio energetico delle particelle emergenti, contribuendo a determinarne la traiettoria ed a ricostruire la posizione del vertice di interazione. Obiettivo principale
dell’ITS è l’identificazione delle particelle contenenti quark s o c tramite la determinazione delle traiettorie dei loro prodotti di decadimento a partire dai relativi
vertici secondari. L’ITS è inoltre in grado di rilevare le particelle di piccolo impulso
che non sono in grado di raggiungere i rivelatori più esterni. Infine, anche nel caso
in cui le particelle decadano esternamente al tubo di passaggio dei fasci, questo
comunque contribuirà alla ricostruzione dei vertici secondari.
• Time Projection Chamber (TPC): essa è costituita da un guscio cilindrico di raggio
esterno pari a Re = 2.5 m, raggio interno pari a Ri = 0.5 m e lunghezza L = 5
m, che avvolge l’ITS, riempito di una miscela di gas N e/CO2 che permette di
rivelare il passaggio di particelle cariche entro il suo volume attivo. Una particella
che attraversa il gas contenuto al suo interno, per ionizzazione, crea elettroni che
si muovono derivando verso i dispositivi di amplificazione e lettura. La TPC è il
principale rilevatore di traccia presente nel corpo centrale di ALICE e insieme agli
altri rivelatori situati vicino al punto d’interazione, provvede alla misurazione del
momento delle particelle cariche con una buona risoluzione di traccia, contribuendo
all’identificazione delle particelle e alla ricostruzione del vertice. Sull’intervallo di
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 21
2.3. L’apparato sperimentale di ALICE
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
pseudorapidità |η| < 0.9, la TPC possiede una risoluzione spaziale di v 1000 µm
nella direzione rφ e di v 1200 µm lungo z; raggiunge una risoluzione compresa
tra l’1 ed il 2% per 100 MeV/c < pt < 1 GeV/c e in combinazione con gli altri
rivelatori di traccia, può misurare momenti trasversi fino a 100 GeV/c con una
risoluzione del 10%; essa garantisce inoltre una risoluzione del 6.9% per la misura
della perdita di energia per unità di lunghezza delle particelle.
• Transition Radiation Detector (TRD): esso ha come compito principale l’identificazione di elettroni con impulso trasverso superiore a 1 GeV/c (con una risoluzione
in momento del 2.5%) per i quali la TPC non è più operativa. La risoluzione
spaziale sarà di 400 µm lungo il piano, rφ, perpendicolare al fascio e di 2-3 cm
lungo la direzione del fascio z. Inoltre contribuirà al riconoscimento di risonanze
nelle collisioni p-p e Pb-Pb.
• rivelatori di Tempo di Volo (Time of Flight, TOF): posti in direzione radiale, immediatamente a ridosso del TRD, misureranno il tempo di volo delle particelle,
contribuendo in tal modo all’identificazione dell’impulso delle particelle cariche
prodotte in urti frontali. L’insieme di tali rivelatori permetterà lo studio di adroni
con impulso compreso tra 0.5 GeV/c ed i 2.5 GeV/c, e |η| ≤ 0.9 ed avrà una
risoluzione temporale inferiore ai 150 ps. Inoltre assieme ad ITS e TPC, contribuirà all’identificazione, evento per evento, di gran parte dei pioni, protoni e
kaoni. Poiché l’area che sarà chiamato a coprire è piuttosto estesa (160 m2 ), per
la sua realizzazione sono stati scelti rivelatori a gas (MRPC, Multigap Resistive
Plate Chambers) ognuno costituito da pad separate da uno spessore di 250 µm
riempito di gas. Un campo elettrico intenso ed uniforme sarà presente in tutto il
volume sensibile dei rivelatori; ogni particella carica che attraverserà il rivelatore
darà origine a fenomeni di ionizzazione a cui seguiranno valanghe di carica che
genereranno un segnale sugli elettrodi di lettura.
• PHOton Spectrometer (PHOS): lo spettrometro di fotoni sarà posto ad una distanza di 4,6 metri dal fascio (al di sopra di esso) con lo scopo di sondare le proprietà
termiche e dinamiche della fase iniziale della collisione grazie ad una misura spettrale dei fotoni diretti emergenti. Oltre che dei fotoni, PHOS si occuperà anche
della rivelazione dei π 0 con alto momento trasverso per studiare il jet quenching
come effetto del deconfinamento del QGP attraverso i getti dei fotoni di decadimento e le correlazioni esistenti tra essi.
PHOS sarà realizzato con cristalli di tungstenato di piombo (P bW O4 ), materiale
sufficientemente denso da essere in grado di fermare molti dei fotoni che incideranno, producendo luce di scintillazione che sarà misurata tramite fotodiodi. Per
migliorarne la risposta in luce i cristalli opereranno ad una temperatura di −25◦ C.
• High Momentum Particle Identification Detector (HMPID): posto anch’esso a 4.6
metri dal fascio (al di sotto dello stesso) l’HMPID nasce con lo scopo di contribuire
Pag. 22
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
2.3. L’apparato sperimentale di ALICE
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
alla discriminazione in massa degli adroni ed andrà ad identificare particelle con
pt > 1 GeV/c. Il principio di funzionamento è quello di un RICH (Ring Imaging
Cherenkov) a fuoco di prossimità.
• Al di fuori del magnete solenoidale L3 che fornisce il campo da 0.5 T, è inoltre
presente uno spettrometro dedicato all’identificazione di muoni entro un intervallo
di pseudorapidità -4 < η < -2.4. In questo sistema di rivelazione è incluso anche un
grande magnete dipolare da 0.7 T. Tale sistema permetterà di identificare le J/ψ
(il cui tasso di produzione costituisce una delle misure più importanti per ALICE)
ed altri mesoni vettori che decadono in due muoni, ed è dotato di due assorbitori
per ridurre il fondo di muoni provenienti dal decadimento di altre particelle come
π o K.
• ACORDE (A COsmic Ray DEtector for ALICE): posto al di sopra del magnete
L3, ACORDE è un rivelatore che fornirà informazioni su raggi cosmici con componente primaria di energia compresa nell’intervallo 1015 - 1017 eV. Costituito da 20
scintillatori plastici in grado di rilevare il passaggio di muoni di energia superiore
ai 17 GeV, esso verrà utilizzato anche per la calibrazione e l’allineamento di alcuni
rivelatori quali l’ITS e la TPC.
Il sistema di rivelazione centrale è infine completato da rivelatori aggiuntivi posti in
corrispondenza di alti valori di rapidità con la funzione di caratterizzare l’evento e fornire
un trigger per la rivelazione.
• Photon Multiplicity Detector (PMD): rivelatore a cascata (preshower), copre un
dominio piuttosto ristretto nella regione di rapidità 2.3 < η < 3.5 ed è composto
da scintillatori gassosi disposti in una struttura a favo (2 · 105 celle ognuna di area
1 cm2 ), il PMD sarà montato sulla porta del magnete, a circa 5.8 metri di distanza
dal punto di impatto ed in verso opposto allo spettrometro muonico. I fotoni,
passando attraverso un convertitore posto davanti al rivelatore, indurranno una
cascata elettromagnetica producendo segnali che si estenderanno su molte celle che
compongono il volume sensibile del rivelatore. Gli adroni invece, non produrranno
cascate ma idealmente, interesseranno una sola cella. In tal modo il PMD sarà
in grado di misurare la molteplicità dei fotoni. Lo spessore del convertitore sarà
ottimizzato al fine di rendere alta la probabilità di conversione dei fotoni, evitando,
per quanto possibile, la sovrapposizione dei segnali provenienti da cascate diverse.
• Forward Multiplicity Detector (FMD): pensato per integrare l’informazione proveniente dall’ITS, esso sarà costituito da cinque dischi coassiali con il fascio e coprenti
l’intervallo di pseudorapidità compreso tra -3.4 < η < -1.7 e tra 1.7 < η < 5.1. Ogni disco sarà costituito da pad al silicio, lette indipendente una dall’altra, in modo
da poter studiare la molteplicità in funzione della pseudorapidità delle particelle
cariche la cui inclinazione, rispetto all’asse del fascio, è cosı̀ piccola da risultare
fuori dall’accettanza geometrica degli altri rivelatori.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 23
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
• Zero Degree Calorimeters (ZDC): il completamento dello studio della geometria
delle collisioni avverrà grazie a dei calorimetri adronici situati a circa 110 metri
dal punto di impatto. In caso di urto non centrale (parametro d’impatto diverso
da zero) alcuni nucleoni di entrambi gli ioni non interagiranno e continueranno
indisturbati il loro moto. La misura dell’energia di tali nucleoni (protoni e neutroni)
tramite due diversi calorimetri, costituiti rispettivamente da tantalio e ottone con
fibre di quarzo renderà possibile risalire al valore del parametro d’impatto.
2.4
Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Il sistema di tracciamento interno (ITS) costituisce l’apparato rivelatore più vicino al
volume di interazione dell’esperimento ALICE (Figura 2.4); esso è costituito da 6 strati
cilindrici concentrici di rivelatori al silicio, il cui asse coincide con quello del fascio del
collisionatore. I sei strati appena citati sono suddivisi nel seguente modo:
1. i due strati più interni sono occupati da rivelatori a pixel (SPD)
2. i due strati intermedi sono occupati da rivelatori a deriva (SDD)
3. i due stati più esterni sono occupati da rivelatori a microstrisce (SSD)
Figura 2.4: Visione in spaccato del sistema ITS.
L’ITS coprirà un angolo di ±45◦ rispetto alla perpendicolare al punto ideale d’impatto e sarà quindi in grado di analizzare particelle con una pseudorapidità nell’intervallo
-0.9 < η < 0.9.
Prima di analizzarne più in dettaglio i singoli strati, illustriamone caratteristiche e
prestazioni previste.
2.4.1
I compiti dell’ITS
I compiti affidati all’ITS sono di estrema importanza per tutta la fisica esplorata da
ALICE e pertanto anche le prestazioni ad esso richieste saranno le più elevate possibili.
In particolare, uno degli obiettivi specifici affidati a questo sistema di rivelazione consiste
nel miglioramento delle risoluzioni in momento e in angolo di emissione ottenute dalla
TPC, necessarie alla ricostruzione delle tracce e alla risoluzione delle ambiguità: ciò è
fondamentale per la definizione delle caratteristiche globali dell’evento osservato, ovvero
distribuzioni di molteplicità e spettri in impulso/energia delle particelle.
La risoluzione in momento è particolarmente importante nello studio della produzione
delle risonanze (ρ, ω e φ) e del comportamento della massa e della larghezza caratteristica di questi mesoni nella materia densa. L’obiettivo è raggiungere una precisione nella
Pag. 24
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
determinazione della massa almeno confrontabile con la normale larghezza di tali particelle (che varia tra i 4 MeV e i 150 MeV), in modo da osservarne la variazione causata
dal previsto ripristino della simmetria chirale.
L’aumento della risoluzione in massa riguarda anche gli stati legati di quark pesanti e
contribuisce a migliorare il rapporto segnale-rumore nello studio della soppressione della
loro produzione (caso della J/ψ e dell’Υ, coppie di quark-antiquark, charm e bottom
rispettivamente).
La miglior risoluzione in momento è inoltre utile nell’osservazione della produzione di
jets e potrà mettere in luce il jet quenching previsto e la perdita di energia da parte dei
partoni nell’attraversamento di materia densa fortemente interagente.
Infine un’ulteriore prerogativa, questa volta esclusiva, dell’ITS consiste nella capacità
di rivelare le particelle a basso momento (inferiore a 100 MeV/c). All’ITS è richiesta
una risoluzione angolare particolarmente elevata: essa è finalizzata in particolare ad
un’alta precisione nella misura della posizione del vertice primario dell’interazione (il
quale sarà localizzato con una risoluzione superiore ai 100 µm) e dei primi punti della
traccia. L’accuratezza di questa misura dipende essenzialmente dalla precisione, dalla
posizione e dallo spessore del primo strato di rivelatori dell’ITS. Esso, inoltre, è stato
ottimizzato anche per l’individuazione di vertici secondari e quindi per l’osservazione di
iperoni contenenti quark s, interessanti nello studio della stranezza nelle prime fasi della
collisione.
2.4.2
Le prestazioni dell’ITS
I requisiti minimi che l’ITS deve garantire sono stati definiti sia sulla base dei compiti
ad esso affidati sia della disponibilità delle soluzioni tecnologiche. Essi sono [23]:
• Accettanza: il sistema di tracciamento interno deve avere un’accettanza geometrica sufficientemente alta da poter rivelare le migliaia di particelle emesse per unità
di rapidità in ogni collisione tra ioni e da poterne studiare, evento per evento, le abbondanze relative, gli spettri del momento trasverso e le correlazioni tra particelle.
L’intervallo di rapidità coperto dal sistema (|η| < 0.9) dovrà soddisfare questa
richiesta e permettere di rivelare il decadimento di particelle con massa elevata e
basso momento trasverso con una buona efficienza. Per conseguire la misura della
molteplicità su un intervallo di rapidità più ampio, lo strato più interno dell’ITS,
che vedremo essere costituito dai rivelatori a pixel, accetta fino a |η| < 1.98 per
interazioni che avvengono a z = 0.
• M isura del rilascio energetico: l’ITS contribuisce all’identificazione delle particelle tramite la misurazione dell’energia persa nell’attraversamento dei rivelatori;
per avere sufficienti informazioni a riguardo sono necessarie le letture analogiche
provenienti da quattro dei sei strati dell’ITS (ossia da SDD e SSD); il range dinamico dei dispositivi responsabili delle letture analogiche deve essere abbastanza
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 25
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
ampio da fornire la misura della perdita di energia per unità di lunghezza dE/dx
anche per particelle altamente ionizzanti con basso momento; i valori dichiarati
per il range dinamico sono v 8 MIP (Minimum Ionizing Particle) per SDD, v 13
MIP per SSD.
• M ateriale attraversato: per limitare gli effetti dello scattering multiplo coulombiano, che sono dominanti per le particelle con piccolo momento trasverso, è necessario ridurre al minimo il materiale presente nel volume attivo. Nei rivelatori al
silicio, in cui il segnale è generato dalla ionizzazione del materiale attraversato, lo
spessore deve essere di almeno 300 µm, per garantire un rapporto segnale-rumore
accettabile. Considerando la sovrapposizione dei rivelatori e l’angolo di incidenza
delle traiettorie, lo spessore effettivo di ogni rivelatore ammonta a circa lo 0.4%
della lunghezza di radiazione X0 . L’elettronica, le connessioni, la struttura di
sostegno e il sistema di raffreddamento costituiscono un ulteriore incremento di
materiale per uno spessore effettivo comparabile con lo spessore del materiale attivo. Secondo le simulazioni, la risoluzione nella misura del momento dovrebbe
essere migliore del 2% per pioni con momento compreso tra 100 MeV e 3 GeV.
• Granularità e precisione spaziale: la granularità dei rivelatori è stata scelta in
modo che si possano rivelare più di 15.000 particelle per collisione fra ioni pesanti
(8000 per unità di rapidità su un intervallo |η| < 0.9); per mantenere bassa l’occupazione del sistema, ovvero non superiore a qualche punto percentuale, sono stati
previsti diversi milioni di celle attive su ogni strato dell’ITS. La ricostruzione dell’interazione dipende principalmente dalla risoluzione spaziale garantita dall’ITS.
Nella direzione rφ la migliore risoluzione si ha nei rivelatori a pixel (12 µm), alloggiati sui due strati più interni, ma anche per rivelatori a deriva e a microstrisce
raggiunge valori confrontabili (38 µm e 20 µm rispettivamente). Inoltre per momenti più alti di 3 GeV/c, importanti nella rivelazione dei prodotti di decadimento
di mesoni dotati di charm e di stati legati di coppie di quark pesanti (quarkonio),
la precisione spaziale diventa fondamentale anche per la risoluzione in momento.
Gli sforzi in fase di progettazione hanno permesso di raggiungere una risoluzione
spaziale, per tutti gli strati dell’ITS, di circa un ordine di grandezza migliore di
quella della TPC.
• Radiazioni: secondo le stime, la dose totale di radiazioni che verrà ricevuta durante
il periodo di attività presunto varia dai pochi krad (decine di Gy) delle parti più
esterne e ai circa 220 krad (2.2 kGy) per gli strati più interni. Il flusso di neutroni,
integrato sui dieci anni di attività di ALICE, è previsto pari a circa 5 · 1011 cm−2 .
Ove necessario, i componenti dell’ITS sono stati progettati per resistere per un
periodo di 10 anni a livelli radioattivi ben più elevati.
• F lusso di dati in lettura: Il sistema di rivelazione di ALICE viene attivato da
due tipi di trigger. Il trigger centrale attiva tutti i rivelatori, mentre il trigger
Pag. 26
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
2. L’esperimento ALICE
dello spettrometro muonico attiva una serie di rivelatori a lettura veloce, tra cui i
due strati più interni dell’ITS, ovvero l’SPD. Per questo il tempo di lettura per i
rivelatori a pixel è regolato a meno di 400 µs.
2.4.3
Gli strati dell’ITS
La struttura interna dell’ITS, di cui mostriamo una rappresentazione in figura 2.5 è
composta da 6 strati cilindrici concentrici i cui assi coincidono con quello del fascio del
collisionatore, di dimensioni tali da coprire l’intervallo di rapidità |η| < 0.9 per vertici
posizionati entro una lunghezza di 10.6 cm lungo il fascio, centrata in z = 0.
Figura 2.5: Sezioni assonometrica e frontale dell’apparato ITS.
I rivelatori e l’elettronica di front-end sono alloggiati su leggere strutture in fibra di carbonio realizzate appositamente. Riportiamo in tabella 2.1 le caratteristiche
geometriche dei rivelatori dell’ITS.
Strato
Tipo
r (cm)
z (cm)
Area attiva (m2 )
1
Pixel
3.9
14.1
0.07
2
Pixel
7.6
14.1
0.14
3
Drift
15.0
22.2
0.42
4
Drift
23.9
29.7
0.89
5
Microstrip
37.8
43.1
2.09
6
Microstrip
42.8
48.9
2.68
Tabella 2.1: Caratteristiche dimensionali dei rivelatori ITS.
Elenchiamo brevemente le principali caratteristiche dei diversi tipi di rivelatori presenti nell’ITS, rimandando al capitolo successivo una descrizione molto più accurata dei
rivelatori a microstrisce.
• SP D: i due strati più interni ospitano i rivelatori a pixel di silicio (Silicon Pixel
Detector). I sensori a pixel utilizzati in ALICE sono delle matrici di celle di silicio
con dimensioni 50 µm (nella direzione rφ) × 425 µm (nella direzione z). L’alta
segmentazione nelle due dimensioni conferisce un’elevata risoluzione spaziale (12
µm su rφ e 100 µm su z, ottenuta tramite distribuzione uniforme con parametro
il passo interstrip), una bassa capacità parassita delle singole celle che possono
quindi essere lette indipendentemente le une dalle altre in tempi molto brevi (circa
50 µs). Il rivelatore è un ibrido composto da una matrice di diodi di silicio inversamente polarizzati e dall’elettronica di lettura. Ogni cella è collegata ad un canale
del circuito di lettura tramite una microsaldatura. La lettura viene effettuata in
modalità binaria: il segnale generato nel sensore poi preamplificato e formato viene
confrontato con una soglia; se esso supera tale soglia, la cella fornisce in uscita un
segnale logico 1.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 27
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
La scelta di questo tipo di rivelatore permette di soddisfare alcuni requisiti: essendo
i rivelatori più interni e prossimi al punto d’interazione, essi danno un contributo fondamentale per la determinazione della posizione del vertice primario e per
la ricostruzione dell’origine delle traiettorie dei prodotti del decadimento debole
di particelle dotate di stranezza, charm e bellezza; essi devono inoltre garantire
un’elevata precisione e granularità, necessarie per l’alta densità di tracce con cui
si trovano ad operare (circa 80 tracce/cm2 ); infine questi rivelatori devono essere
in grado di lavorare anche in presenza di un livello di radiazione piuttosto alto,
che per lo strato più interno raggiunge una dose di 220 krad corrispondente ad un
flusso di neutroni, integrato su dieci anni di attività, pari a 1012 cm−2 .
• SDD: i due strati intermedi dell’ITS, situati in una zona ove si prevede che la
densità di particelle cariche raggiunga il valore di 7 cm−2 , ospitano i rivelatori a
deriva (Silicon Drift Detector, SDD). Essi sono capaci di gestire un’alta molteplicità
di tracce e forniscono due delle quattro misure di dE/dx utilizzate per l’identificazione delle particelle da parte dell’ITS. Questi rivelatori sono costituiti da un
sensore di silicio di forma rettangolare e con uno spessore di 300 µm. Su entrambe
le facce maggiori del sensore vengono impiantate delle strisce di silicio drogate che
fungono da catodi; per ogni lato del sensore parallelo alle strisce è presente una
fila di anodi. Quando una particella attraversa il sensore, si creano delle coppie
elettrone-lacuna; mentre le lacune vengono attratte dai catodi, il moto di deriva
trasporta gli elettroni attraverso un canale di potenziale parallelo alla superficie
del sensore fino agli anodi. Nel caso dei rivelatori SDD la risoluzione spaziale nella
direzione rφ dipende dalla velocità di deriva (stimata in 8.1 µm ns−1 alla tensione
di alimentazione nominale di -2.4 kV), mentre nella direzione z dipende dal passo
degli anodi. I risultati dei test forniscono una risoluzione media di 35 µm su rφ e
di 25 µm su z.
• SSD: i due strati più esterni dell’ITS sono costituiti da rivelatori a doppia faccia
a microstrisce di silicio (Double Sided Silicon Strip Detector, SSD) montati su
supporti in fibra di carbonio. Tali strati sono cruciali per la connessione delle
tracce tra la TPC e l’ITS e forniscono informazioni sulla perdita di energia per
unità di spessore attivo dE/dx, utili soprattutto per l’identificazione di particelle
a basso momento. Ogni sensore SSD è letto da due circuiti ibridi, ognuno dei quali
contiene 6 chip di preamplificazione con un range dinamico per canale pari a 0 ÷ 14
MIP e scostamenti dalla linearità inferiori al 2%. La struttura portante di sostegno
e servizio del SSD è costituita da materiali a bassa densità e dove possibile, basso
numero atomico al fine di ridurre contributi alla perdità d’energia e fenomeni di
diffusione multipla coulombiana per i prodotti di reazione. La risoluzione spaziale
offerta da questi dispositivi raggiunge i 20 µm su rφ e gli 830 µm su z.
Nel prossimo capitolo approfondirò lo studio del funzionamento dei rivelatori a microstrisce e riporterò i risultati dei test effettuati durante la fase di produzione degli
Pag. 28
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
stessi.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 29
2.4. Il sistema di tracciamento interno (ITS)
Pag. 30
Capitolo
2. L’esperimento ALICE
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo 3
Costruzione dei rivelatori a microstrip
di silicio SSD
Lo studio dei rivelatori a microstrip di silicio nella configurazione definitiva, con cui sono
stati montati sul quinto e sesto strato del Sistema di Tracciamento Interno di ALICE, e
del sistema che fornirà loro l’alimentazione, costituiscono parte integrante del presente
lavoro di tesi.
Iniziamo con un’introduzione generale sul ruolo e l’importanza dei rivelatori al silicio
nell’ambito della fisica nucleare e delle particelle, per passare poi alla descrizione di quelli
a microstrip utilizzati in ALICE e quindi all’analisi dei risultati dello studio sugli stessi.
Verranno quindi illustrate le problematiche più rilevanti affrontate e le soluzioni attuate
durante la fase di test. Proseguirò poi descrivendo i test effettuati sui rivelatori una
volta montati su ladder.
3.1
Generalità
3.1.1
Proprietà di base del silicio
Tra gli strumenti maggiormente utilizzati nel settore della fisica delle particelle elementari si possono sicuramente annoverare i rivelatori a stato solido e tra questi, quelli al
silicio occupano un ruolo di primo piano. Il silicio infatti, grazie alle sue particolari
caratteristiche fisiche, si è dimostrato un materiale particolarmente adatto alla realizzazione di rivelatori di alta qualità [25].
In primo luogo esso fornisce un’ottima risoluzione in energia: per creare un coppia
elettrone - buca sono sufficienti 3.6 eV rilasciati da una particella che attraversa il mezzo;
un valore estremamente basso, se confrontato con i circa 30 eV richiesti per ionizzare
una molecola di gas in un rivelatore gassoso o con i circa 100 eV per un tipico scintillatore plastico cui faranno seguito processi a bassa efficienza di trasformazione in un
31
3.1. Generalità
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
impulso elettrico corrispondente. L’elevata densità che contraddistingue il silicio (2.33
g
) introduce due ulteriori risvolti positivi: da un lato riduce il range degli elettroni
cm3
secondari, permettendo cosı̀ una buona risoluzione spaziale, dall’altro induce per le particelle cariche che lo attraversano una considerevole perdita di energia anche con ridotti
spessori. Ad esempio, per una particella minimo ionizzante (MIP), il valore più probabile
eV
per tale perdita di energia è 270 µm
, il che comporta la creazione di circa 75 e−h
µm (coppie elettrone buca per micrometro). Inoltre, non essendoci moltiplicazione della carica
primaria, il segnale raccolto dipende solo dallo spessore dello strato di silicio attraversato.
I rivelatori al silicio, sono spesso posizionati, come nel nostro caso, nelle estreme
vicinanze del volume d’interazione e pertanto, al fine di evitare la compromissione della
ricostruzione degli eventi, essi vengono realizzati cercando di ridurre al minimo lo spessore del materiale in modo da ridurre di conseguenza la diffusione multipla coulombiana,
uno degli ostacoli principali in fase di ricostruzione delle tracce. Tuttavia esiste un limite
pratico allo spessore con cui si può realizzare un rivelatore: poiché la carica rilasciata
da una particella è proporzionale al cammino percorso nel sensore, uno strato di materiale troppo sottile può generare un segnale di ampiezza troppo piccola, rendendo di
conseguenza inaccettabile il rapporto segnale - rumore. Nel caso particolare di ALICE,
i sensori hanno uno spessore di 300 µm e al passaggio di una MIP raccolgono 2.25 · 104
coppie elettrone - buca (quale valore più probabile), un segnale efficientemente misurabile con un’elettronica a basso rumore.
Il silicio è un elemento del IV gruppo della Tavola Periodica e pertanto possiede 4
elettroni nella shell di valenza; l’eccitazione di un elettrone ed il suo passaggio dalla
banda di valenza a quella di conduzione, lascia dietro di sé una lacuna. Allo stato puro,
il silicio è un materiale intrinseco, ossia possiede un’ugual densità di elettroni e lacune.
Per creare superiorità di portatori di un tipo o dell’altro è necessario drogare il silicio,
ossia aggiungere ad esso impurità di elementi del III o V gruppo. In particolare, il silicio
di tipo p si ottiene tramite il drogaggio con elementi del III gruppo: questi possiedono
3 elettroni nella banda di valenza e vengono detti accettori perché catturano con facilità uno degli elettroni del silicio. Di conseguenza essi contribuiscono alla creazione
di lacune che pertanto sono i portatori di maggioranza in un semiconduttore di tipo p.
Al contrario, per ottenere il tipo n, alcuni atomi di silicio vengono sostituiti con atomi
appartenenti al V gruppo, detti donatori, i quali cedono facilmente uno dei 5 elettroni
che possiedono in banda di valenza. Questi ultimi costituiscono quindi i portatori di
maggioranza in un semiconduttore di tipo n. Chiaramente sia in un silicio di tipo p che
in uno di tipo n sono presenti anche portatori dell’altro tipo che sono detti ‘di minoranza’.
Nel silicio puro la densità di portatori intrinseci è ni = 1.45·1010 cm−3 a temperatura
ambiente; si ha dunque che in un rivelatore di silicio intrinseco di superficie pari a 1 cm2
e di spessore 300 µm il numero di portatori liberi ammonta 4.5 ·108 , equivalenti ad un
Pag. 32
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.1. Generalità
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
segnale 4 ordini di grandezza superiore a quello generato da una MIP. In un materiale
drogato, nel quale si aggiungono elettroni o lacune dovute alla ionizzazione degli atomi
donatori o accettori, il rapporto segnale - rumore può essere ancor minore.
Una possibilità per aumentare il rapporto segnale - rumore, consiste nel raffreddare il
rivelatore sino alle temperature tipiche dell’azoto liquido (≈ 70K) in quanto diminuisce
in tal modo la generazione termica di coppie elettrone-buca. Infatti come risulta evidente
dall’equazione 3.1, rappresentante la dipendenza della densità intrinseca di portatori in
funzione della temperatura, al diminuire di quest’ultima la densità diminuisce esponenzialmente. Nella presente relazione Nc ed Nv rappresentano la densità effettiva di stati
in banda di conduzione e di valenza mentre Eg è il gap energetico tra le due bande.
n2i = Nc Nv e
−Eg
kT
(3.1)
Un’alternativa migliore per i propositi che passeremo a descrivere, e più semplicemente praticabile, consiste nello svuotare il rivelatore dai portatori liberi tramite una
giunzione p − n polarizzata inversamente.
3.1.2
La giunzione p-n
I rivelatori a microstrip di silicio si basano sul funzionamento della giunzione p-n.
Figura 3.1: Processo di svuotamento di una giunzione p-n. In assenza di una tensione esterna
applicata, i portatori di carica presenti vicino all’interfaccia tra il silicio p e quello n migrano
attraverso la giunzione generando la regione di svuotamento (nella quale rimangono solo cariche
fisse). Applicando una tensione di polarizzazione inversa è possibile aumentarne il volume.
Come mostrato in Figura 3.1, si giunge alla realizzazione di una giunzione p-n interfacciando due cristalli semiconduttori, uno di tipo p e l’altro di tipo n. In tal modo, in
prossimità del punto di giunzione si forma, inizialmente, un gradiente di densità di elettroni e lacune che dà luogo ad una migrazione diffusiva dei portatori di maggioranza da
un cristallo all’altro. In conseguenza di ciò, le zone adiacenti all’interfaccia fra i cristalli
rimangono cariche negativamente sul silicio p e positivamente sul silicio n.
L’unione delle due regioni è chiamata zona di svuotamento a causa dell’assenza di portatori di carica liberi al suo interno; sono invece presenti ioni donatori ed accettori non
neutralizzati, imprigionati ed immobili all’interno della struttura cristallina. La sopracitata migrazione dei portatori liberi attraverso la giunzione porta alla formazione di una
barriera di potenziale sufficientemente intensa da impedire l’attraversamento di altri portatori. Il raggiungimento di tale potenziale Vd , detto di contatto o built − in, consente
al sistema di raggiungere l’equilibrio mentre la sua intensità (tipicamente dell’ordine di
alcune centinaia di millivolt) è determinata dalla densità di impurità che caratterizza il
semiconduttore.
Il ruolo della zona di svuotamento è di capitale importanza per l’applicazione dei semiconduttori e del silicio in particolare, nella costruzione di rivelatori. Infatti, la carica
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 33
Capitolo
3.1. Generalità
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
rilasciata al suo interno dal passaggio di una particella ionizzante può venir raccolta alla
giunzione e misurata; al contrario, la carica che viene depositata nella zona neutra e non
svuotata può facilmente ricombinarsi con i portatori liberi ed andare quindi perduta.
Ne consegue immediatamente che l’aumento delle dimensioni della zona di svuotamento
porta ad un aumento della carica raccolta per ogni particella rivelata; è possibile ottenere
questo risultato applicando una differenza di potenziale esterna, Vbias , avente lo stesso
segno del potenziale Vd dando in tal modo luogo ad una barriera VB = Vd + Vbias . In
questa situazione si dice che la giunzione p - n è polarizzata inversamente. Inoltre poiché
l’estensione della zona di svuotamento è inversamente proporzionale alla concentrazione
di impurità presenti nel cristallo, secondo la seguente equazione
s
W1 =
2VB
qNa (1 + Na /Nd )
s
W2 =
2VB
qNd (1 + Nd /Na )
(3.2)
in cui W1 e W2 rappresentano le larghezze della regione di svuotamento nella parte
p ed n della giunzione, Na e Nd densità di accettori e donori, VB la tensione di polarizzazione applicata ai capi della giunzione, la costante dielettrica del materiale, si è
soliti costruire la giunzione con una porzione di semiconduttore di tipo n di spessore
molto maggiore (e con una densità di impurità molto minore) rispetto alla regione p.
Ne consegue che la regione n rappresenta la zona attiva del sensore, mentre la regione p
è necessaria solamente ai fini dello svuotamento dai portatori liberi.
In un rivelatore a semiconduttore del tipo appena descritto, la componente più importante del rumore di fondo deriva dalla generazione, per eccitazione termica, di portatori
di carica. La regione di svuotamento è libera dai portatori di maggioranza (elettroni nella
zona n e buche nella zona p) ma anche in condizioni di equilibrio, vengono continuamente
generate coppie elettrone - buca in tutto il volume del cristallo. In assenza di campo
elettrico i portatori creati si ricombinano, ma in caso di sua presenza le cariche vengono
separate ed hanno una ridotta probabilità di ricombinarsi. Migrando sotto l’influenza
del campo, elettroni e buche danno luogo ad una corrente detta corrente di leakage
o di perdita. Dipendentemente dalla regione in cui si ha la generazione delle cariche,
è possibile distinguere due componenti: la corrente di generazione, jgen , causata dalla
generazione di carica nella zona di svuotamento, dipendente dalle dimensioni di quest’ultima e attraverso ni , dalla temperatura, e la corrente di diffusione, jdif f , causata dalla
generazione di cariche nelle immediate vicinanze della zona di svuotamento e che possono
diffondere al suo interno. In normali condizioni di operatività, un rivelatore al silicio è
completamente svuotato e pertanto l’unica corrente residua è quella di generazione.
3.1.3
I sensori a doppia faccia
Un sensore a microstrisce di silicio è un particolare tipo di rivelatore ricavato da un
cristallo di un silicio di tipo n; su uno dei due lati, il lato p (o lato giunzione), vengono
create, tramite impianto ionico, delle strisce di silicio fortemente drogato p (strisce p+ ),
le quali sono isolate tra loro dal silicio n. Corpo di silicio n e strisce p+ sono un esempio
Pag. 34
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.1. Generalità
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
di giunzione p-n. Sul lato opposto, il lato n (o lato ohmico), le microstrisce sono invece
degli impianti di silicio n+ ; poiché impiantate in un bulk n, queste non sarebbero tra
loro isolate e per tal motivo devono essere separate tra loro tramite una zona drogata p
(tipiche soluzioni applicate sono i p − stop, ossia striscioline drogate p o i p − spray, ossia
strati uniformi di silicio p depositati sul bulk n). In questo modo, quando si procede allo
svuotamento del silicio la regione drogata p si carica negativamente, creando una barriera
di potenziale che impedisce agli elettroni del silicio n+ di spostarsi tra le strisce adiacenti
che pertanto risultano tra loro isolate. Al di sopra del silicio è depositato uno strato di
isolante che protegge chimicamente l’impianto; sull’isolante, in corrispondenza di ogni
strip, sono depositate delle striscioline di metallo che fungono da elettrodi e permettono
il trasferimento del segnale all’elettronica di lettura: Infine è depositato un’ulteriore
strato di isolante per proteggere l’intero impianto da traumi esterni (Figura 3.2).
Figura 3.2: Schema pittorico di un sensore a microstrisce. Si notano le strip p+ ed n+ e gli strati
di isolante (in verde). Caratteristici dei sensori di ALICE sono invece i p − stop ed i bias ring e
guard ring sui quali torneremo nel prossimo paragrafo.
Nel caso di ALICE, l’isolamento tra le strip n è realizzato tramite p+ stop non collegati all’elettronica di lettura; su entrambe le facce del sensore è depositato uno strato
di SiO2 il quale provvede ad una duplice funzione: da un lato isola elettricamente il
sensore e lo protegge da leggeri traumi meccanici esterni (piccoli urti o graffi), dall’altro
esso rappresenta il dielettrico su cui è costruito il sistema capacitivo che permette il
trasferimento verso l’elettronica di lettura del segnale prodotto da una particella ionizzante attraversante il sensore. Al di sopra di ogni microstriscia di tipo p o n vengono infatti applicate delle strisce di alluminio che fungono da elettrodi. Il sistema
semiconduttore − ossido − metallo permette la produzione di un segnale accoppiato AC
che viene successivamente amplificato e letto. La componente continua può comunque
essere misurata, a scopo test, tramite una piazzola in contatto ohmico diretto con la
striscia di silicio.
Complessivamente il sistema capacitivo presente sul sensore SSD può essere ottimamente
schematizzato come composto di 3 elementi (Figura 3.3): ogni striscia è infatti primariamente sensibile ad un accoppiamento con le strisce vicine (Cis ), con la faccia opposta
(Cbck ), e con l’elettrodo di alluminio a lei sovrastante (CAC ). Poiché la carica estratta
dalla particella ionizzante nell’attraversare il mezzo viene trasferita ai vari elementi del
sistema in quantità direttamente proporzionale all’entità del loro mutuo accoppiamento
capacitivo, affinché la maggior parte della carica contribuisca a generare segnale verso
l’elettronica di lettura (riducendo al minimo le altre induzioni spurie ai fini della rivelazione), la capacità verso l’elettronica stessa deve essere preponderante rispetto alle
altre ovvero si richiede un rapporto CAC /Cis+bck >> 1 ove Cis+bck rappresenta la somma
delle capacità interstrip con le strisce prime e seconde vicine e della capacità verso la
faccia opposta del rivelatore.
A titolo esemplificativo, riportiamo in tabella i valori tipici per le varie componenti
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 35
Capitolo
3.2. I rivelatori SSD di ALICE
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Figura 3.3: Schema in cui è rappresentato il sistema capacitivo di un sensore SSD. Ogni strip,
rappresentata dal rettangolo blu è accoppiata con quelle vicine (Cis ), con l’elettrodo di alluminio
(CAC ) e con la faccia opposta del sensore (Cbck ).
della rete capacitiva che interessa una striscia nei sensori SSD di ALICE; tali valori
sono stati misurati nei laboratori I.N.F.N. di Trieste durante le operazioni di test e
certificazione dei sensori prima del loro assemblaggio a costituire i rivelatori completi
[31].
Cis
Cis
prime vicine
3 pF
seconde vicine
0.5 pF
Cbck
1.32 pF
Cis+bck
v 8 pF
CAC
300 pF
CAC
Cis+bck
v 37 − 38
Tabella 3.1: Valori tipici per gli accoppiamenti capacitivi interstrip (Cis ), verso la faccia opposta
(Cbck ) e verso l’elettronica di lettura (CAC ) nei sensori SSD di ALICE. Il rapporto tra CAC e
Cis+bck , che rappresenta la somma delle capacità interstrip con le strisce prime e seconde vicine
e della capacità verso la faccia opposta del rivelatore, risulta ≈ 37 − 38.
E’ bene effettuare una precisazione, in relazione al rapporto CAC / Cis+bck . Come
già accennato, in prima approssimazione si vorrebbe tale rapporto quanto più grande
possibile in modo da massimizzare la quantità di carica raccolta e letta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando l’accoppiamento capacitivo verso l’elettronica di
lettura (CAC ) oppure riducendo quanto più possibile Cis+bck . Si hanno però dei limiti
pratici in entrambi i casi. Per quanto riguarda CAC si hanno limiti costruttivi legati
allo spessore dell’ossido che non può essere troppo piccolo in quanto risulterebbe eccessivamente fragile. In secondo luogo, per ragioni di risoluzione spaziale, è conveniente
che l’accoppiamento capacitivo Cis sia non nullo: esso infatti permette di distribuire
il segnale anche su strisce vicine, aiutando a ricostruire geometricamente la posizione
del baricentro di carica permettendo in tal modo una miglior risoluzione spaziale nella
determinazione del punto d’impatto di ogni particella ionizzante rivelata.
3.2
I rivelatori SSD di ALICE
Entriamo ora nel dettaglio dei sensori SSD di ALICE [21, 23] (Figura 3.4).
Figura 3.4: Il modulo SSD nella configurazione finale.
Essi hanno forma rettangolare con area totale di 75 × 42 mm2 ed uno spessore di 300
µm, scelto quale miglior compromesso tra la necessità di ridurre al minimo lo scattering
multiplo coulombiano delle particelle che attraversano il sensore e l’esigenza di ottenere
Pag. 36
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.2. I rivelatori SSD di ALICE
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
un segnale discriminabile. Su ognuno dei lati del sensore sono impiantate 768 strisce la
cui inclinazione varia a seconda del lato cui appartengono, in particolare l’angolo formato dalle strip con il lato corto del sensore è 27.5 mrad sul lato n e 7.5 mrad sul lato p,
in modo da formare un angolo stereoscopico di 35 mrad. La zona occupata dalle strip è
delimitata da un anello di protezione (guard ring) che la separa dalla zona marginale ove
l’operazione di dimensionamento del sensore attraverso il taglio del silicio può aver reso
instabile il suo comportamento elettrico. Parallela ed interna a questo anello protettivo
troviamo la linea di alimentazione (bias ring). Lo svuotamento del rivelatore si ottiene
applicando una differenza di potenziale tra le due facce tale da polarizzare inversamente
le giunzioni; la polarizzazione è ottenuta con il metodo del punch − through, un effetto
che si verifica in strutture p+ − n − p+ e n+ − n − n+ . Una struttura p+ − n − p+ (nel
nostro caso bias ring - bulk - strip) è formata da due giunzioni p+ − n con un terminale
in comune. Applicando una tensione di polarizzazione inversa VBR tra bias ring e bulk la
strip si polarizza inversamente ad una tensione Vstrip per effetto dell’iniezione di lacune
dalla strip verso il bias ring. La differenza Vpt = |VBR − Vstrip |, chiamata tensione di
punch − through, non rimane costante ma aumenta al crescere di |VBR |. Lo stesso tipo
di meccanismo è utilizzato sul lato n del sensore dove la struttura è del tipo n+ − n − n+
e la polarizzazione della strip avviene per iniezione di elettroni verso il bias ring. Valori
tipici della tensione di punch - through sono dell’ordine di qualche Volt (2-8 V).
Riassumiamo in Tabella 3.2 e mostriamo in Figura 3.5 le principali caratteristiche
geometriche dei sensori.
area totale
75 × 42 mm2
area attiva
73 × 40 mm2
passo interstrip
95 µm
numero di strisce lette per lato
768
inclinazione strisce (lato p)
7.5 mrad
inclinazione strisce (lato n)
27.5 mrad
strisce corte (lato p)
3
strisce corte (lato n)
11
risoluzione spaziale nominale rφ
20 µm
risoluzione spaziale nominale z
820 µm
Tabella 3.2: Principali caratteristiche geometriche del sensore. Le strisce corte sono le strisce
attive che terminano sul lato corto del sensore a causa della loro inclinazione.
Figura 3.5: Disegno qualitativo raffigurante le principali caratteristiche geometriche del sensore.
La configurazione topologica appena descritta è stata scelta al fine di agevolare la
ricostruzione degli eventi come spiegheremo tra breve. Ognuna delle due facce funziona
come un rivelatore unidimensionale fornendo la posizione della particella lungo la coorProduzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 37
3.2. I rivelatori SSD di ALICE
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
dinata perpendicolare alla striscia con una risoluzione dipendente dal passo delle strisce
stesse; solo l’introduzione di un secondo set di strisce con orientazione diversa permette
di ricavare univocamente il punto di impatto fra la traiettoria della particella ed il piano del sensore. Tipicamente, quando si vuole ottenere la medesima risoluzione lungo
due coordinate indipendenti, i due set di microstrisce vengono disposte ortogonalmente
tra loro. Nel caso di ALICE, le esigenze di rivelazione impongono di massimizzare la
risoluzione nelle direzioni perpendicolari al fascio; da qui sia la scelta degli angoli prima
citati che la scelta della disposizione dei moduli che sono alloggiati su ladder (strutture
in fibra di carbonio realizzate appositamente) (Figura 3.6) con il lato corto parallelo al
fascio.
Figura 3.6: Immagine di un ladder utilizzato per il sostegno dei moduli a microstrip nella
configurazione definitiva del rivelatore SSD.
La scelta di tali angoli è stata decisa sulla base di risultati di specifiche simulazioni,
secondo le quali risulta che l’utilizzo di un angolo stereoscopico di 35 mrad si dimostra
ottimale per quanto concerne la risoluzione delle ambiguità (ossia il riconoscimento
dei cosiddetti punti ghost) che inevitabilmente si vengono a presentare, vista l’elevata molteplicità degli eventi che ci si aspetta di avere (circa una decina di particelle per
sensore in ogni ‘evento’) e quindi l’elevata probabilità di rivelare più tracce nello stesso
sensore.
Figura 3.7: Esempio di ambiguità nella ricostruzione degli eventi. A parità di area attiva
dei sue sensori, nel caso di sinistra l’attraversamento contemporaneo di tre particelle causa la
segnalazione di 9 possibili punti di passaggio. Nel caso di destra, lo stesso numero di particelle
passanti causa la segnalazione di 6 possibili punti.
Se come detto, le strisce fossero ortogonali fra loro, l’illuminazione contemporanea
di alcune tra loro renderebbe non univoca la ricostruzione degli eventi. Come mostrato
in Figura 3.7, l’attivazione simultanea di 6 strisce porta a ricostruire ben 9 punti diversi; di questi però, solo tre corrispondono ad eventi reali mentre gli altri 6 sono detti
ghost events e contribuiscono a rendere più complicata la ricostruzione delle tracce. Se
le strisce vengono inclinate di un angolo diverso da quello retto, restando invariata l’area
utile di rivelazione, il numero di eventi ghost diminuisce rendendo più agevole il compito
in fase di analisi degli eventi. Talvolta anche la correlazione di carica tra le due diverse
facce del sensore contribuisce alla risoluzione delle ambiguità. Inoltre, nell’assemblaggio
definitivo dell’ITS, i sensori degli strati 5 e 6 saranno montati rispettivamente con il
lato p ed n rivolto verso la zona di interazione. Questo accorgimento, tenuto conto dell’asimmetria dell’inclinazione delle strisce dei due lati rispetto al lato corto del sensore
permette di migliorare ulteriormente la risoluzione delle ambiguità.
In tale configurazione topologica, alcune delle strisce più vicine al lato corto del sensore
risultano più corte e di conseguenza sono contattabili dall’elettronica di lettura solo ad
una estremità, essendo quest’ultima ospitata in corrispondenza dei lati lunghi di ogni
Pag. 38
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.3. L’elettronica di lettura: il chip Hal25
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
sensore. Ne consegue che 3 strisce sul lato p ed 11 sul lato n non vengono lette, lasciando
due zone del sensore incapaci di rivelare bidimensionalmente la posizione della particella.
3.3
L’elettronica di lettura: il chip Hal25
Il nucleo fondamentale dell’elettronica di lettura dei moduli SSD di ALICE è il Chip
Hal25 [26]. Esso è stato realizzato secondo tecniche di progettazione e di lavorazione a
livello submicrometrico (CMOS 0.25 µm), capaci di renderlo resistente a un irraggiamento radioattivo (radiation hardened) quale quello cui sarà sottoposto a regime durante
le prese dati di ALICE. Le stime predicono per la dose totale un valore massimo di 10
krad, e 4 · 1011 neutroni da 1 MeV per cm2 , nell’arco di 10 anni.
Ogni chip possiede 128 canali analogici ognuno dei quali è dotato di un preamplificatore,
uno shaper ed un buf f er di memorizzazione. Queste tre componenti sono legate alle
prime operazioni che il chip effettua in parallelo sui segnali di tutti i canali in fase di
acquisizione: un segnale proporzionale alla carica raccolta da una striscia del sensore
viene formato ed amplificato con un tempo regolabile tra 1.4 µs e 2.2 µs; tale segnale,
campionato in corrispondenza del suo valore di picco, viene quindi immagazzinato in
attesa della fase successiva di lettura seriale: un multiplexer trasferisce in successione,
con una frequenza di 10 MHz, i segnali provenienti dai 128 canali ad un amplificatore
differenziale in uscita. I chip sono concepiti per poter essere concatenati tra loro. Grazie
a questa caratteristica possono essere montati in serie di 6: tale catena, con i 128 canali
di cui è dotato ogni chip, copre esattamente la lettura delle 768 strisce di una faccia del
sensore. Il tempo necessario alla lettura di una faccia è pari a 76 µs. Assieme alle linee
analogiche, nel chip è integrato un sistema di linee digitali con tre funzioni principali:
regolare i parametri di alimentazione delle varie componenti interne, gestire le diverse
operazioni di lettura ed effettuare test interni di funzionalità. L’interfaccia di controllo è
basata sul protocollo JT AG [27], il quale tramite un’opportuna serie di registri, consente
la comunicazione, il settaggio e la gestione dei parametri e delle operazione interne al
chip.
In particolare, tramite il JT AG è possibile:
• configurare i registri utilizzati per la definizione dei parametri di tensioni e correnti
• impostare il cosiddetto transparent mode, ossia eseguire la selezione di un singolo
canale il quale viene connesso in modo permanente all’uscita. Scegliendo questa
modalità è possibile iniettare un segnale ed osservare il risultato in uscita
• verificare il comportamento del chip tramite l’iniezione di una quantità di carica
selezionabile tramite un impulsatore interno programmabile
• realizzare il boundary scan, una speciale modalità di test dei circuiti integrati: esso
utilizza un apposito percorso attraverso le entrate e uscite del dispositivo in esame
per verificare la corretta comunicazione dei segnali attraverso la logica interna e
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 39
3.4. Il ladder
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
le interconnessioni fra diversi circuiti concatenati. Due esempi di boundary scan
sono l’EXT EST e l’IN T EST . Il primo non riguarda la logica interna di Hal25
ma si limita a verificare il corretto funzionamento delle entrate e delle uscite dei
vari canali del chip e delle connessioni fra diversi chip concatenati, attraverso la
trasmissione di segnali lungo un percorso esterno all’elettronica interna del chip. Il
secondo invece verifica il corretto passaggio di un segnale logico attraverso l’elettronica interna di Hal25, misurando i tempi necessari per il passaggio attraverso il
chip.
Il fattore di guadagno di Hal25 è 35 mV /M IP . Il range dinamico per il quale esso è
stato progettato è ± 14 MIP e, al suo interno, esso mantiene un comportamento lineare
con deviazioni inferiori al 4%. Restringendosi all’intervallo ± 10 MIP la deviazione
rispetto alla linearità è inferiore al 2.5%.
3.4
Il ladder
I moduli SSD sono montati su strutture di supporto in fibra di carbonio chiamate ladder,
la cui unità fondamentale è un reticolo triangolare; gli oltre 1600 rivelatori si distribuiscono su 72 ladder ospitanti 22 e 25 moduli, rispettivamente per il layer 5 ed il 6 dell’ITS.
I moduli sono alloggiati sul ladder in modo da risultare parzialmente sovrapposti lungo
la direzione z dell’asse del fascio, al fine di evitare la presenza di zone morte sul lato
lungo dei sensori. I ladder sono poi montati sul cono, ovvero una struttura anch’essa in
fibra di carbonio costituita da un cilindro terminante alle estremità con due tronchi di
cono e su cui sono fissati 4 anelli di supporto ai quali sono agganciati i ladder tramite
delle sfere di rubino (presenti sugli anelli) le quali consentono un’ottima accuratezza nel
loro posizionamento (migliore di 10 µm) (Figure 3.8 e 3.9). Per la medesima ragione
per cui lo sono i sensori, anche i ladder sono montati in modo da risultare parzialmente
sovrapposti nella direzione parallela all’asse del cono (Figura 3.10).
Figura 3.8: Schema di una porzione di ladder SSD. Si notano i moduli a microstrip parzialmente
sovrapposti ed agganciati alla struttura in carbonio. Parallelamente a questa, si evidenziano i
due condotti del sistema di raffreddamento, a loro volta fissati ai sensori tramite i cooling blocks.
Figura 3.9: Dettaglio sul punto di alloggiamento di un ladder SSD. Il piede del ladder è fissato
all’anello del cono tramite un sistema ad incastro dado a V - sfera di rubino. In questo modo si
ottiene un’accuratezza di 10 µm nel posizionamento del ladder. La presenza delle molle consente
al piede del ladder il mantenimento della posizione, con un’accuratezza di 10 µm, in caso di
stress torcenti applicati ai bulloni di fissaggio.
Ogni ladder è diviso in due semi-ladder (chiamati convenzionalmente V e Q) i quali
sono gestiti in modo del tutto indipendente da due EndCap. I moduli costituenti un
semi-ladder sono alimentati in parallelo sia per quanto riguarda la tensione di polarizzazione (la quale viene fornita, a ciascun rivelatore, tramite due resistori da 270 kΩ)
Pag. 40
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.5. L’elettronica di front-end: le EndCap
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Figura 3.10: Schema pittorico rappresentante il cono su cui sono alloggiati i ladder SSD. Si può
osservare la struttura cilindrica in verde le cui estremità alloggiano 4 anelli per il posizionamento
dei ladder. Alle estremità di questi ultimi sono montate le EndCap, qui raffigurate in rosso.
sia per quanto riguarda l’alimentazione dell’elettronica. Tramite protocollo JT AG è
comunque possibile spegnere ogni singolo ibrido. Le EndCap, di cui daremo una breve
descrizione nel seguito, si occupano della gestione della comunicazione con il modulo
(tramite JT AG), della trasmissione dei segnali in uscita e dell’alimentazione di bias. I
ladder sono inoltre predisposti per alloggiare i condotti di raffreddamento i quali corrono
paralleli alla struttura in carbonio portando l’acqua di raffreddamento da un’EndCap
all’altra.
3.5
L’elettronica di front-end: le EndCap
Diamo ora una breve descrizione del cuore dell’elettronica di front-end: i moduli EndCap. Tale panoramica non ha la pretesa di essere esaustiva in quanto i moduli EndCap
non sono stati oggetto di lavoro per questa tesi ma fornirà alcune indicazioni sulla loro
funzionalità.
I moduli EndCap [36] sono stati progettati per il controllo e la gestione dell’elettronica di lettura sui ladder che montano i moduli SSD, tenendo conto delle particolari
esigenze di ALICE. Come detto precedentemente si prevede che le componenti elettroniche presenti all’interno del volume del rivelatore saranno esposte a livelli di radiazione fino ad un massimo di 10 krad (100 Gy) su un arco di dieci anni. Le richieste
di funzionalità implicano che l’elettronica non deve essere sensibile a danneggiamenti
dovuti all’impatto di singole particelle ionizzati, i cosiddetti Ef f etti di Singolo Evento
(Single Event Ef f ects, SEE) quali ad esempio i Single Event Latch − up (SEL), ossia
lesioni allo strumento causate dall’instaurarsi di corto circuiti con conseguenti situazioni
di overcurrent, e non presenti Single Event U pset (SEU), ossia errori dovuti al cambio
di stato di uno o più bit. Le principali funzioni dell’elettronica sono integrate in due
ASIC (Application − Specif ic Integrated Circuit) chiamati ALCAPONE ed ALABUF
i quali sono disegnati con tecnologia CMOS 0.25µ unitamente a tecniche che permettono
loro di essere radiation tolerant.
Le principali funzioni svolte dall’EndCap sono:
• Distribuzione e memorizzazione dei segnali digitali, in entrata, ed analogici, in
uscita, dai rivelatori
• Regolazione dell’alimentazione per gli ibridi di lettura e per l’elettronica dell’EndCap stessa
• Gestione delle operazioni di lettura
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 41
3.6. Il sistema di acquisizione FEROM
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
I compiti dell’EndCap vengono svolti per mezzo di quattro differenti schede PCB:
CableCard, BasePlate, InterfaceCard, SupplyCard (Figura 3.11).
Figura 3.11: Rappresentazione grafica di un modulo EndCap di front-end. Si nota nella parte
alta il condotto di raffreddamento.
• CableCard: la CableCard può essere vista come un connettore. Non ha componenti attive e la sua funzione è quella di connettere i sottili cavetti dal FEROM
(F ront End ReadOut M olude) all’EndCap, tramite un pannello adattatore.
• BasePlate: tutte le schede presenti sull’EndCap saranno inserite nella Base Plate;
Quest’ultima non ha componenti attivi ma solo capacitori e resistori. Essa può
ospitare da 1 a 7 SupplyCard, dipendentemente dal numero di rivelatori che devono
essere controllati.
• InterfaceCard: questa scheda costituisce l’interfaccia tra il FEROM e gli ibridi
dei moduli. Essa è sostanzialmente costituita da un chip ALCAPONE che agisce
come interfaccia con il FEROM, in aggiunta ad altri due ALCAPONE che guidano
i segnali provenienti dai lati p ed n.
• SupplyCard: gli ibridi dei singoli moduli saranno connessi alla SupplyCard. Essa
si occupa della gestione dei segnali analogici in uscita dai moduli SSD e del loro
trasferimento al FEROM; inoltre essa misurerà la corrente di polarizzazione inversa
dei moduli e la loro temperatura.
3.6
Il sistema di acquisizione FEROM
Il FEROM (Front End Read-Out Module) è il sistema di lettura e acquisizione dati del
rivelatore SSD [37]. Posizionato in prossimità del magnete L3, il FEROM è costituito da
8 crate VME, ognuno dei quali contiene 216 ADC, ed è collegato con i moduli EndCap
tramite una linea differenziale a coppie di cavi incrociati della lunghezza di 25 metri. I
compiti del FEROM sono essenzialmente due: in primo luogo, dopo aver ricevuto il trigger effettuerà la lettura e gestione dei segnali analogici in uscita dai 2.6 milioni di canali
che compongono l’SSD. Una volta digitalizzatili, eseguirà la sottrazione del piedistallo
e la soppressione degli zeri, mandando i dati cosı̀ elaborati al sistema di acquisizione
DAQ, al quale è collegato cavi a fibra ottica. In secondo luogo il FEROM distribuirà
i segnali JTAG ai 144 moduli EndCap, provvedendo, in particolare al settaggio dello
shaping time dei chip Hal25 e ad una serie di test di interconnettività. La componentistica con cui è assemblato il FEROM è stata realizzata con tecniche che le permette
di essere Rad T olerant, in quanto simulazioni dedicate hanno mostrato che essa sarà
sottoposta ad una dose totale (su 10 anni di attività) di 4 · 10−4 Gray ed a una fluenza
di particelle equivalenti da 20 MeV rispettivamente di 3.5 · 106 neutroni e di 2.5 · 105
protoni e pioni.
Pag. 42
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
3.7
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Caratterizzazione dei moduli SSD
Gran parte del lavoro eseguito durante la prima fase di questa tesi è consistito in test
approfonditi sui singoli moduli SSD1 . Data l’elevata complessità dell’apparato rivelatore
(composto da circa 1700 moduli SSD di cui a Trieste ne sono stati costruiti più di 800),
e le richieste di elevata efficienza e funzionalità ad esso rivolte (percentuale minima di
canali funzionanti: 98%) si è reso necessario tener sotto stretto controllo ogni fase di
produzione e la qualità di ogni modulo SSD. Ciò ha richiesto un approfondito monitoraggio sia della componente digitale di ogni singolo modulo (protocolli di comunicazione,
funzionalità e programmabilità dei chip), sia della componente analogica (guadagno e
rumore dei singoli canali), oltre che delle correnti di perdita del sensore. Per questa
serie di motivi il sistema di test, realizzato ad - hoc grazie ad una collaborazione italo olandese, esegue una sequenza di operazioni in serie che rispondono a tutte le esigenze
citate. Tali operazioni permettono di identificare in modo oggettivo ed automatizzato i difetti più comuni presenti sul singolo rivelatore contribuendo a determinarne una
qualità oggettiva (di cui parleremo più diffusamente nel seguito), ossia indipendente dal
particolare centro di produzione e indicando all’operatore dove intervenire per eventuali
riparazioni.
3.7.1
Grandezze caratteristiche
La filosofia seguita nella realizzazione del software di test si fonda sulla necessità di
verificare che le grandezze caratteristiche dei moduli SSD rientrino negli intervalli di
normalità prestabiliti. In particolare, si prenderanno in considerazione:
• l’andamento della corrente di polarizzazione inversa
• la risposta di ogni singolo canale, ossia la risposta ad un impulso di carica (guadagno di singolo canale), la quale può essere operata, anche in assenza di radiazione,
tramite iniezione di carica all’entrata del chip
• il comportamento in termini di rumore
• la presenza di possibili difetti, per lo più costruttivi, quali:
1. presenza di canali non connessi all’elettronica di lettura (open): tale imperfezione determina perdita d’informazione relativamente al canale difettoso e
problemi in sede di ricostruzione del profilo di carica rilasciata che non avrà
più forma gaussiana ma si mostrerà sotto forma di due picchi il cui profilo
dipenderà dal punto d’impatto, a cavallo di una zona vuota
2. presenza di canali non funzionanti (morti): valgono per essi le medesime
considerazioni appena formulate per i canali aperti
1
Con il termine sensore intendiamo un rivelatore SSD privo dell’elettronica di lettura, mentre con il
termine modulo intendiamo un rivelatore SSD completo dell’elettronica di lettura.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 43
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
3. presenza di canali rumorosi: la qualità della discriminazione del segnale dal
rumore si ha sulla base del rapporto fra le loro ampiezze. Nel caso tipico di
un rapporto segnale/rumore, per una MIP, di v 40 − 50, la qualità della discriminazione è ottima, ma l’efficienza di riconoscimento del segnale peggiora
con l’aumentare del rumore, sino a rendere problematica la sua identificazione
4. presenza di corti tra canali adiacenti: due canali in corto provocano una redistribuzione della carica che ne deforma il profilo, influendo significativamente,
ed in modo negativo, sulla risoluzione nella ricostruzione del punto d’impatto
della particella.
Per fare tali valutazioni, dobbiamo tener presente che la risposta di un singolo canale
dipende, in generale, dalla somma di diversi contributi, quali:
• segnale raccolto in corrispondenza ad un rilascio energetico da parte di radiazione
incidente
• rumore intrinseco di singolo canale
• oscillazione in modalità coerente di più canali adiacenti
In particolare, la valutazione del rumore intrinseco viene fatta, in assenza di segnale,
calcolando lo scarto quadratico medio (Equazione 3.3) su un campione di letture, dopo
aver sottratto per ognuna di esse la componente di modo comune:
v
uM
uX (ADCij − CMj − Pi )2
Ri = t
M −1
(3.3)
j=1
In tale equazione:
• Ri rappresenta il rumore dell’i-esimo canale dopo la correzione di common mode
• ADCij è la j-esima lettura dell’i-esimo canale
• CMj è il common mode calcolato per la j-esima lettura
• Pi è il piedistallo dell’i-esimo canale, ossia il valore della lettura in assenza di segnale
e di rumore rilevati su quel canale. Normalmente il piedistallo non corrisponde allo
zero della scala di misura e varia da canale a canale: esso individua una componente
costante che si somma al segnale effettivamente rilevato e che va eliminata in fase
di analisi.
• M è il numero di letture eseguite
La componente di modo comune (common mode) si calcola, secondo la seguente
relazione:
Pag. 44
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
CMj =
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
v
uN
u spia
1 u X
t
ADCispia j − Pispia
Nspia
(3.4)
ispia =1
In tale relazione:
• CMj è il common mode della j-esima lettura
• Nspia è il numero totale di canali-spia, ossia canali privi di anomalie, utilizzati per
il calcolo del common mode. Infatti canali con, ad esempio, elettronica inattiva
hanno risposta nulla a prescindere dall’oscillazione dei canali contigui e pertanto
inficiano il calcolo del CM .
• ADCispia j e Pispia sono rispettivamente la j-esima lettura e il piedistallo dell’i-esimo
canale-spia
Un campione di common mode cosı̀ calcolati permette di definire il valore dell’oscillazione di modo comune, per un dato modulo, come lo scarto quadratico medio del
campione.
3.7.2
Il software di test
Realizzato a Trieste in ambiente LabVIEW il software di test consente un’ispezione
globale del singolo modulo SSD e permette di eseguire una sequenza di operazioni che
consentono di valutarne il funzionamento e gli eventuali difetti [32]. In particolare il test
si sviluppa secondo le seguenti modalità:
• Inizializzazione delle componenti elettroniche: il test inizializza le schede di test ed
i chip HAL25 per la lettura analogica. Questa fase si articola in tre passi:
1. riconoscimento della catena JTAG concatenante i dodici chip HAL25 e le
schede esterne di test
2. programmazione dei chip HAL25 con riconoscimento dei numeri di serie e
settaggio dei parametri interni di tensioni e correnti
3. caricamento, sui chip e sulle schede di test, dei registri necessari alle operazioni
di lettura analogica
• Valutazione della risposta di singolo canale (Figure 3.12 e 3.13): in assenza di
tensione di polarizzazione il test procede, in sequenza, per ogni singolo canale, ad
una valutazione del rumore (a cui non è stata ancora sottratta la componente di
common mode) e della risposta a seguito di un’iniezione di carica effettuata grazie
ad un impulsatore interno al chip. Tali misure saranno successivamente utilizzate
per identificare la presenza di un particolare tipo di canale difettoso di cui si parlerà
più diffusamente nel seguito.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 45
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Figura 3.12: Misura di rumore, in assenza di tensione di polarizzazione inversa, prima della
sottrazione della componente di common mode. I grafici mostrano (in ordinata) il valore del
rumore misurato in funzione del canale (in ascissa) per i lati p (grafico di sinistra) ed n (grafico
di destra) del sensore. I picchi indicano canali difettosi con valore di rumore anomalo.
Figura 3.13: Misura della risposta a seguito di iniezione di carica da impulsatore interno, sempre
in assenza di tensione di polarizzazione. I grafici mostrano (in ordinata) il valore della risposta
misurata in funzione del canale (in ascissa) per il lato p (grafico di sinistra) ed n (grafico di destra)
del sensore. Lato p ed n hanno valori di segno opposto in termini di risposta (uno positivo e
l’altro negativo) a causa del segno diverso della carica rispettivamente raccolta. I picchi indicano
canali difettosi con risposta da impulsazione anomala.
• Valutazione delle correnti (Figura 3.14): il test esegue una curva tensione - corrente
del sensore sia in polarizzazione inversa, con l’obiettivo di individuare la tensione
di svuotamento del modulo, sia in polarizzazione diretta, misura che sarà utilizzata
per determinare eventuali difetti sulle piazzole AC e che descriveremo nel seguito.
La tensione di svuotamento viene calcolata andando a ricercare la tensione di
isolamento delle strip; quest’ultima viene determinata analizzando l’andamento del
rumore sul lato n, e considerando il valore di tensione per il quale esso raggiunge
il minimo ed ivi rimane stabile. A tale valore si attribuirà lo svuotamento del
sensore.
Figura 3.14: Esempio di curva I-V eseguita durante le operazioni di test. In ordinata il valore
della corrente di leakage, misurata in µA, in ascissa la tensione di bias applicata, misurata in
Volt. Il grafico di sinistra mostra la curva di polarizzazione diretta, quello di destra la curva di
polarizzazione inversa.
• Valutazione dei difetti: identificato il punto di svuotamento e portata a tale valore
la tensione di alimentazione, il test accerta la presenza di possibili canali difettosi.
Una prima discriminazione in tal senso viene effettuata in base ad un’analisi contemporanea dell’andamento del rumore e della risposta da impulsazione interna.
In particolare, si esegue una prima stima della risposta tenendo conto di tutti i
∗
canali, ossia si calcola la risposta media G con rispettiva deviazione standard σG∗ ;
quindi si rimuovono i contributi dei canali evidentemente difettosi, la cui risposta
si discosta da quella media per più di due deviazioni standard, in modo da ottenere
delle soglie adatte per identificare quelli leggermente difettosi. Pertanto si ricalcola il valor medio G (e deviazione standard σG ). A questo punto, attraverso un
taglio a due deviazioni standard rispetto a G, il programma individua i canali con
risposta anomala, i quali vengono classificati come segue2 .
2
Nel proseguo del capitolo i valori in ordinata dei grafici mostrati sono dati in Canali di ADC (Unità
Arbitrarie, UA), salvo diversamente specificato
Pag. 46
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
1. Canali morti (Figura 3.15): rientrano in questa categoria canali la cui risposta
è nulla o indistinguibile dal rumore. In particolare, si considera l’elettronica
inattiva se mostra una risposta da impulsazione inferiore al 10% di quella
media G e rumore inferiore al 50% del rumore medio.
2. Canali aperti (Figura 3.15): rientrano in questa categoria canali per i quali
risulta interrotto, in un qualche punto, il collegamento tra sensore ed elettronica di lettura. Tali canali si possono mettere in luce a partire dalle misure di rumore e risposta da impulsazione eseguite senza fornire tensione di
svuotamento. I segni caratteristici di un canale aperto sono infatti due:
(a) rumore più basso rispetto ai canali contigui: se un canale è non connesso,
l’ingresso del preamplificatore ha una capacità di carico nulla, mentre un
canale connesso di un sensore non polarizzato ha una capacità di carico
molto elevata e dovuta ai contributi in parallelo delle strisce non isolate
(b) risposta più alta rispetto ai canali contigui: se un canale è non connesso,
la carica iniettata dall’impulsatore interno non ha modo di dividersi tra
sensore ed elettronica di lettura ma a causa della connessione interrotta, viene assorbita integralmente dal chip che pertanto fa registrare una
risposta maggiore
Figura 3.15: Misure di rumore e risposta da impulsazione interna, in assenza di tensione di
svuotamento, su lato p (grafici di sinistra) e lato n (grafici di destra). L’ovale rosso indica un
canale classificato come morto, mentre quelli verdi indicano canali aperti (vedi testo). Si noti il
segno diverso utilizzato nelle scale dei grafici di risposta impulsata.
3. Canali rumorosi (Figura 3.16): rientrano in questa categoria canali per i
quali il rapporto segnale - rumore risulta fortemente depresso. Il programma
individua i canali con rumore superiore a 5 volte il valore del rumore medio
del lato del sensore di cui fanno parte e li classifica come ‘molto rumorosi’.
Figura 3.16: Misura di rumore alla tensione di svuotamento. I due grafici (lato p a sinistra,
lato n a destra) mostrano il rumore misurato, in ordinata, per ogni canale, in ascissa.
4. Canali con problemi di risposta impulsata (Figura 3.17): rientrano in questa
categoria canali con problemi di risposta da iniezione interna di carica. Tale
difetto può avere più cause. Da un lato può essere indice di altre disfunzioni del canale, quale un corto circuito (corto) tra strip contigue o una pad
AC bucata, dall’altro può segnalare la presenza di un malfunzionamento del
preamplificatore.
5. Canali con ‘AC bucate’ (Figura 3.18): canali in cui risulta difettoso il sistema capacitivo silicio - ossido - metallo vengono messi in luce durante la
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 47
3.7. Caratterizzazione dei moduli SSD
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Figura 3.17: Misura di risposta da impulsazione interna in canali di ADC (UA). La misura
è analoga a quella eseguita all’inizio del test, ma in condizioni di svuotamento del sensore. I
grafici (lato p a sinistra, lato n a destra) mostrano la risposta a seguito dell’iniezione di carica (in
ordinata) in funzione del canale (in ascissa). Rispetto alla misura eseguita in assenza di tensione
di polarizzazione (Figura 3.13), si notano differenti valori di risposta: ad esempio, per il lato n,
si hanno v 500 UA contro gli attuali v 1000 UA. Questo fatto è dovuto proprio alla condizione
di svuotamento del sensore, la quale comporta una diversa redistribuzione della carica iniettata
rispetto al caso non svuotato, quando una quantità maggiore di carica fluiva verso il sensore.
polarizzazione diretta del modulo. Essi infatti risultano particolarmente rumorosi, in questa fase, se confrontati con canali privi del difetto, in quanto
vi è una consistente iniezione di carica sul canale del preamplificatore relativo alla striscia con ‘AC bucata’. Il test sottrae, canale per canale, al valore
di rumore misurato in polarizzazione diretta alla tensione di 1 volt, quello
misurato in polarizzazione inversa alla tensione di 10 volt. I canali che cosı̀
facendo risultano sopra una certa soglia sono presunti difettosi. La seconda
condizione utilizzata per l’identificazione di tale imperfezione utilizza i risultati del test di risposta appena citato: canali con risposta inferiore ad una
certa soglia sono indicati come candidati. In caso di ‘AC bucata’, infatti, la
presenza di contatto diretto tra elettronica e striscia fa sı̀ che la carica iniettata dall’impulsatore si disperda in maggior parte nel sensore dando luogo
ad una risposta depressa. I canali che effettivamente presentano AC bucate
saranno quelli che soddisferanno ad entrambe le condizioni esposte.
Figura 3.18: Test di accertamento ‘AC bucate’. I grafici (lato p a sinistra, lato n a destra)
mostrano il valore della differenza tra rumore misurato in polarizzazione diretta (1 V) e rumore
misurato in polarizzazione inversa (10 V), in ordinata, in funzione del canale, in ascissa. I picchi
che oltrepassano la soglia gialla sono canali con probabile ‘AC bucata’.
6. Canali in corto (Figura 3.19): tramite l’impulsatore interno, si stimolano
tutti i 768 canali uno alla volta e si misura la risposta di quello successivo.
Se impulsando il primo si ottiene una risposta anche dal secondo, allora il
sistema considera tali canali in corto tra loro.
Figura 3.19: Test di accertamento di canali in corto. Il grafico, lato n del modulo, mostra il
valore della risposta del canale successivo a quello impulsato (in ordinata) in funzione del canale
(in ascissa). Se il valore della risposta supera la soglia gialla i due canali sono considerati in
corto.
• Determinazione della qualità complessiva da associare al modulo: la richiesta di
un’elevata efficienza di tutto l’apparato SSD impone la necessità di dare una valutazione quanto più possibile oggettiva dei singoli componenti che prescinda dai
Pag. 48
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.8. Risultati
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
vari tipi di difetti, il cui numero e tipologia renderebbero difficilmente confrontabili
tra loro i moduli. Si richiede quindi un parametro che identifichi univocamente la
qualità del rivelatore considerato. Per definirla si pone pari a 100 la qualità di
un modulo perfetto e si scala un punto per ogni canale difettoso riscontrato. Un
modulo viene quindi considerato accettabile solo se possiede non più di 30 canali
difettosi. In accordo con la richiesta secondo cui vogliamo un numero totale di
canali difettosi inferiore al 2%, si ha che il 2% di 1536 è 30. In caso di difetti gravi
(corrente troppo alta o errori nella comunicazione digitale) la qualità viene invece
posta a 0.
• Il test conclude eseguendo un test in transparent mode: scelto il primo canale
privo di difetti, a seguito di un iniezione interna di carica, il test permette si
visualizzare lo sviluppo del segnale in funzione del tempo. La scala utilizzata è in
unità arbitrarie sia in ordinata che in ascissa.
In Figura 3.20 è raffigurata l’immagine del pannello del programma di test. Oltre ai
grafici appena presentati, in quarta posizione è presente un’ulteriore grafico in cui sono
riportati i valori del piedistallo dei singoli canali. Nella parte destra si ha un riassunto
dei canali difettosi, l’indicazione della qualità del modulo ed il test in transparent mode.
Figura 3.20: Pannello frontale del software di test. Si distinguono i grafici dei singoli test mentre
nella parte destra della schermata è presente una tabella riassuntiva dei canali difettosi: canali
aperti, AC bucate, canali in corto, numero totale di canali con problemi di rumore, piedistallo
o risposta impulsata, tutti divisi per il lato p ed n. In basso a destra sono indicate la massima
tensione operative del modulo, la tensione di breakdown, la sua qualità, i numeri di serie dei
chip, un grafico con la risposta di un canale in transarent mode.
3.8
Risultati
I test eseguiti hanno permesso di caratterizzare in modo estremamente approfondito
i moduli SSD e di individuarne le peculiarità. I rivelatori realizzati per l’esperimento
ALICE sono distinti in tre gruppi in base al tipo di sensore al silicio da cui sono costituiti.
Distingueremo i tre tipi di sensori come: ITC, Canberra, Sintef [28, 29, 30]. I loro
nomi derivano da quelli delle aziende private che aggiudicatesi la gara d’appalto, li
hanno realizzati. Il bando di gara prevedeva infatti che i moduli avessero le medesime
caratteristiche funzionali ma lasciava libertà, per le compagnie, nella scelta delle soluzioni
tecniche. Oltre a eventuali difetti costruttivi, si sono evidenziati, in fase di test, difetti
legati al sensore e di cui passeremo ora a parlare.
3.8.1
I sensori ITC
I tre tipi di sensori utilizzati per la produzione dei moduli di ALICE si caratterizzano per
una diversa tensione di svuotamento del lato n. In particolare, nel caso degli ITC tale
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 49
3.9. Il difetto Sintef
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
tensione è situata in un intervallo compreso tra i 30 ed i 60 V circa. Dai test effettuati i
moduli con sensori ITC non hanno evidenziato alcun difetto caratteristico particolare.
3.8.2
I sensori Canberra
I sensori Canberra si caratterizzano per due motivi, il primo dei quali prettamente
costruttivo: in primo luogo l’isolamento tra le strip n+ sul lato n, non è realizzato
tramite i p+ stop bensı̀ tramite i p spray, ossia tramite un deposito uniforme di silicio
drogato p sopra il bulk n; in secondo luogo si distinguono per una tensione di svuotamento più bassa, compresa tra i 10 ed i 26 V. Alcuni di essi hanno evidenziato, in fase
di test, la presenza di un certo numero di canali rumorosi (al massimo un centinaio di
strisce), localizzati nella zona centrale del lato p (Figura 3.21). Tale difetto scompare
nel corso delle diverse fasi di messa a punto del modulo. Si ritiene pertanto che esso
sia dovuto ad un accumulo superficiale di carica (responsabile del rumore osservato) la
quale poi va disperdendosi.
Figura 3.21: Particolare di test su sensore Canberra, lato p. Il grafico mostra in ordinata il
valore di rumore, misurato alla tensione di svuotamento, in funzione del canale. Si evidenziano,
in corrispondenza della zona centrale, un certo numero di strip rumorose dovute ad accumulo
superficiale di carica.
3.8.3
I sensori Sintef
I sensori Sintef si caratterizzano per la più alta tensione di svuotamento fra i tre tipi
di sensori, quasi sempre superiore ai 60 V. Essi hanno evidenziato, in fase di test, la
presenza di un difetto coinvolgente tutto il lato p del sensore: in fase di polarizzazione
inversa, superata la tensione di svuotamento del lato p, mentre il lato n non è ancora
svuotato, il rumore inizia ad aumentare a partire dalle strip laterali del sensore per
poi coinvolgere l’intero lato (Figura 3.22) che giunge ad avere un rumore fino a 5 volte
superiore a quello tipico degli altri sensori sul lato p. Si ritiene che tale difetto, sia
imputabile ad una inversione di polarità che si genera sulla superficie lato p al crescere
della tensione (vedi paragrafo 3.8). Tale difetto si è dimostrato comunque risolvibile
grazie ad un accorgimento di cui parleremo più diffusamente nel seguito e che permette
di compensare l’effetto di inversione appena citato.
Figura 3.22: Particolare di un test su modulo Sintef, lato p. In ordinata il rumore misurato a
tensione di svuotamento in funzione del canale (in ascissa).
3.9
Il difetto Sintef
I sensori Sintef, come appena accennato, si sono dimostrati i più problematici in fase di
test. Parte di questo lavoro di tesi è stata dedicata proprio ad un approfondito studio
Pag. 50
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.9. Il difetto Sintef
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
dei moduli Sintef con lo scopo di comprenderne a fondo il comportamento e quindi
appurare la possibilità di mettere in atto degli accorgimenti che permettessero di ovviare
al problema. Test effettuati tanto sui sensori privi dell’elettronica di lettura [33, 34],
quanto sui moduli completi hanno permesso di comprendere la causa del problema. Con
l’aiuto della Figura 3.23 possiamo schematizzare brevemente la situazione come segue.
Figura 3.23: Vista in sezione di un sensore a microstrip di silicio Sintef. L’immagine raffigura
l’insorgere del difetto. Sono visibili le strip p adiacenti, l’ossido ed una striscia di alluminio. Il
disegno in alto mostra la migrazione di cariche negative dall’alluminio verso l’ossido. Le strip p
si trovano ad alcuni volt positivi rispetto al bias ring (posto a v 0 V). La superficie sottostante
l’ossido è in regime di accumulazione: delle cariche negative si addensano all’interfaccia richiamate dalla carica positiva dell’ossido. Il disegno in basso mostra il momento dell’inversione:
aumentando la tensione di bias, aumenta la tensione di punch − through, le cariche migrate
compensano la carica positiva dell’ossido ed attirano lacune positive alla superficie. La regione
superficiale passa da accumulazione a svuotamento a inversione. Le strip p sono pertanto
de-isolate.
Supponiamo che il bias ring stia collegato a massa (0 V) e analizziamo il comportamento del modulo al variare della tensione. Poiché le strip p sono polarizzate per
punch − through esse si trovano ad una tensione di alcuni volt positivi rispetto al bias
ring. Le strisce di metallo che stanno essenzialmente al valore di tensione del bias ring
si troveranno ad una tensione di alcuni volt negativi rispetto alle strip p. All’aumentare
della tensione di polarizzazione inversa applicata, cariche negative migrano dal metallo
verso l’ossido e tendono a rendere la superficie equipotenziale con le strisce di alluminio.
Nel caso dei Sintef, i quali possiedono una bassa carica nell0 ossido (v 1010 cm−2 contro
i v 2 − 4 · 1011 cm−2 dei sensori ITC [33]), questa iniezione di cariche negative non solo
controbilancia la carica positiva dell’ossido ma attira lacune mobili dal bulk alla superficie la quale passa ad un certo punto in regime di inversione. Questo fatto corrisponde
all’accensione di un MOSFET [35] parassita di cui due strip p successive costituiscono
source e drain mentre l’ossido funge da gate (Figura 3.24).
Figura 3.24: Schema rappresentante l’insorgere del MOSFET parassita all’interno di un modulo
Sintef. Due strip p contigue, alimentate per punch − through, costituiscono il source ed il drain
mentre l’ossido, sulla superficie del quale migrano cariche negative dal metallo, costituisce il gate.
A causa di tali cariche si ha una modifica del campo elettrico locale e la formazione di un canale
di inversione con conseguente perdita di isolamento delle strip p.
La piccola carica nell’ossido dei Sintef fa sı̀ che la tensione di innesco del MOSFET
sia di pochi volt. L’inversione alla superficie provoca il de-isolamento delle strip p e
quindi un aumento del rumore cosı̀ come osservato durante i test.
Al fine di ottenere un margine di sicurezza contro questo tipo di effetto, i sensori
Sintef sono stati preirradiati con raggi X di bassa energia in modo da aumentare la
carica dell0 ossido e con essa la soglia di innesco del MOSFET. Purtroppo, questo accorgimento non ha portato i risultati sperati ed ha provocato un aumento della corrente
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 51
3.9. Il difetto Sintef
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
in regime di polarizzazione inversa.
Nel tentativo di meglio comprendere il problema e verificare la validità dell’ipotesi
fatta, abbiamo provato a variare il valore della tensione delle strip metalliche, applicando
una differenza di potenziale tra bias ring ed elettronica del lato p. Le prove che abbiamo condotto hanno mostrato che è possibile impedire l’innesco del MOSFET parassita
tramite un semplice accorgimento che passeremo ora a descrivere e di cui mostriamo una
rappresentazione grafica in Figura 3.25.
Figura 3.25: Circuito realizzato per l’applicazione di una contro-tensione ai moduli Sintef. Le
pad AC si trovano ad alcuni volts negativi rispetto alle strip p. La migrazione di ioni dall’alluminio verso l’ossido porta la superficie a diventare equipotenziale con il metallo. L’applicazione
della contro-tensione riduce la differenza di tensione tra la striscia metallica e la strip p e la
riporta al di sotto della tensione si soglia di innesco del MOSFET.
Analizziamo brevemente lo schema utilizzato cosı̀ come descritto nel disegno. Tralasciando la parte inferiore del circuito (rappresentante il lato n del sensore) concentriamoci
sulla parte superiore (che rappresenta il lato p). I quadrati rosa rappresentano le strip
p+ , i rettangolini grigi gli elettrodi di alluminio, mentre il condensatore denota il sistema
capacitivo che consente il trasferimento del segnale. A partire da un alimentatore esterno, applichiamo la tensione di polarizzazione inversa al bias ring attraverso i due resistori
da 270 kOhm e dal bias ring, tramite l’effetto di punch − trough, polarizziamo inversamente le strip. Le pad AC, agganciate all’elettronica di lettura, si trovano ad alcuni volt
negativi rispetto alle strip p. Poiché l’iniezione di cariche negative porta la superficie a
diventare equipotenziale con le strisce di alluminio, parallelamente, tramite un secondo
alimentatore, applichiamo una contro-tensione all’elettronica del lato p, riducendo cosı̀
la differenza di tensione tra elettronica e strip p, aumentando dunque la tensione di
soglia del MOSFET ed impedendo che questo si inneschi.
La caratterizzazione effettuata durante questo lavoro di tesi ha permesso di dividere
i moduli Sintef in due famiglie. Infatti per alcuni di essi, che risultano difettosi, l’applicazione di un paio di volt di contro-tensione è già sufficiente a compensare il de-isolamento
(Figura 3.26)
Figura 3.26: Esempio di modulo Sintef per il quale la contro-tensione ha immediato effetto.
In ordinata abbiamo il valore del rumore misurato alla tensione di svuotamento in funzione del
canale (in ascissa). A sinistra il modulo senza contro-tensione applicata, a destra il medesimo
modulo a cui sono applicati 2.5 V di contro-tensione.
E’ presente però anche un insieme di moduli non difettosi per i quali non si osserva
un aumento del rumore del lato p e per i quali la contro-tensione non sortisce alcun
effetto. Riteniamo però che tali moduli, ora non difettosi, possano rappresentare un
problema in futuro. Se tali moduli si trovano in una condizione prossima alla soglia
Pag. 52
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.9. Il difetto Sintef
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
di innesco del fenomeno, l’irraggiamento a cui saranno sottoposti nel corso dell’attività
di ALICE potrebbe portare, in conseguenza di un possibile aumento della corrente di
leakage, ad una diminuzione della tensione di innesco del MOSFET parassita e dunque
rendere difettosi i rivelatori. Per verificare questa evenienza abbiamo sottoposto tali
moduli ad ulteriori test, applicando alcuni volt (v 1, 5 V) di extra-tensione negativa alle
pad AC in modo da simulare l’effetto dell’irraggiamento e la diminuzione della tensione
di innesco del MOSFET. I test hanno dimostrato che tali sensori si rivelano al limite
dell’accettabilità: come mostrato in figura 3.27 sono sufficienti pochissimi volt di tale
extra-tensione per rendere difettosi i moduli.
Figura 3.27: Valore del rumore in funzione del canale per un modulo Sintef non difettoso
(figura in alto a sinistra). L’applicazione di una contro-tensione all’elettronica del lato p (+ 3
V) non porta a variazioni di comportamento (figura in alto a destra) mentre l’introduzione di
una extra-tensione negativa di -1.5 V porta ad un evidente peggioramento del rumore (figura in
basso).
La soluzione del problema non è banalmente attuabile per moduli una volta montati:
sui ladder infatti i moduli, pur avendo in generale diverse tensioni di svuotamento, vengono alimentati allo stesso valore di tensione, unico per tutto un semi-ladder. Inoltre
l’introduzione di una contro-tensione attraverso le EndCap presenta delle difficoltà. Abbiamo pertanto effettuato, presso l’Università di Utrecht, dei test su ladder interamente
costituiti da rivelatori Sintef e utilizzanti l’elettronica di lettura finale. L’obiettivo di
tali test, effettuati in modo analogo a quelli realizzati a Trieste (ossia tramite analisi
del rumore ed applicazione di una contro-tensione), era lo studio del comportamento dei
moduli una volta montati su ladder ed una verifica della necessità di provvedere alla
presenza di una linea di alimentazione per fornire la contro-tensione. Abbiamo pertanto
eseguito dei test di rumore sia in assenza che in presenza di contro-tensione: tali test
non solo hanno confermato il medesimo comportamento dei moduli già osservato nei
precedenti test e dunque l’accensione del MOSFET parassita anche in configurazione di
ladder, ma anche l’efficacia dell’applicazione della contro-tensione. E’ stato cosı̀ possibile correggere il comportamento di tutti i moduli del ladder senza introdurre alcun tipo
di instabilità. Questi risultati hanno pertanto posto il problema della predisposizione
di una linea di alimentazione dedicata e di conseguenza la necessità di modificare a tal
fine la struttura delle EndCap. Ulteriori dettagli sulla soluzione tecnica adottata per
l’applicazione della contro-tensione sono presenti in Appendice A.
Molti moduli Sintef infine, si caratterizzano anche per una peculiare forma della
curva tensione - corrente in regime di polarizzazione inversa (Figura 3.28).
Figura 3.28: Esempio di curva tensione - corrente osservata per alcuni moduli Sintef. In ordinata
la corrente (misurata in µA) in funzione della tensione (misurata in V).
Come risulta evidente dall’immagine, la curva non tende ad un plateau come dovrebbe,
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 53
3.10. Moduli con corrente anomala
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
trattandosi, sostanzialmente, di un diodo polarizzato inversamente, ma al contrario,
dopo aver raggiunto un punto di massimo, al crescere ulteriore della tensione, la corrente diminuisce. Questo effetto supporta ulteriormente l’ipotesi dell’accensione di un
MOSFET parassita nel lato p del sensore, in quanto l’inversione superficiale di carica provoca una soppressione della generazione di coppie elettrone-buca e dunque della
corrente di generazione.
3.10
Moduli con corrente anomala
Nel corso della fase di produzione un problema che si è evidenziato e risulta comune a
molti moduli, indipendentemente dal tipo di sensore con cui sono realizzati, è quello di
un’elevata corrente in regime di polarizzazione inversa. Fornendo al rivelatore tensione
di polarizzazione inversa come mostrato in Figura 3.29 (ossia portando l’alimentazione
al bias ring tramite resistori da 1 MΩ3 e da qui polarizzando le strip tramite punch −
through), si osserva che la corrente si mantiene sui valori tipici per un sensore SSD
(v 1−2 µA) finché la tensione raggiunge valori prossimi a quella di svuotamento. Quando
superiamo tale valore la corrente inizia a salire molto rapidamente (Figura 3.30).
Figura 3.29: Disegno raffigurante lo schema dell’alimentazione di un sensore SSD in polarizzazione inversa. L’alimentazione attraverso i due resistori viene portata al bias ring e da qui, per
punch − through, si ha la polarizzazione delle strip. Su entrambi i lati del sensore, l’elettronica
non ha un proprio riferimento di massa ma viene agganciata all’alimentatore di bias. I resistori
da 1 MΩ appartengono al sistema di test utilizzato. I valori di tensione e corrente riportati sia
in questo grafico che in quelli analoghi successivi sono puramente esemplificativi.
Figura 3.30: Esempio di grafico tensione - corrente per un modulo con alta corrente in polarizzazione inversa. La corrente (in ordinata), si mantiene su valori tipici per sensori non difettosi
(circa 1-2 µA) fino ad un certo valore di tensione (in ascissa) che corrisponde al valore di tensione di isolamento delle strisce n, oltre la quale la corrente aumenta molto rapidamente a causa
dell’iniezione di lacune da un p − stop verso il bulk.
Poiché sia i sensori sia l’elettronica di lettura hanno superato la fase iniziale di test, e
poiché tale fenomeno si è osservato solo dopo il collegamento degli ibridi, l’insorgere del
problema deve pertanto cercarsi nella fase di lavorazione che ha portato all’unione tra
sensore ed elettronica. Per tentare di capire la natura del problema abbiamo eseguito
una curva tensione-corrente del sensore lasciando completamente flottante l’ibrido n.
La curva ottenuta in questo modo (Figura 3.31) mostra come la corrente si riporti, da
valori di decine di µA (Figura 3.30) su valori al di sotto del µA. Possiamo, su questa base,
supporre che il problema sia di natura elettrica e sia dovuto ad una qualche connessione
imperfetta tra ibrido e sensore.
3
Il sistema di test utilizzato nella fase di produzione dei moduli utilizza componenti elettronici standard e pertanto monta resistori da 1 MΩ, mentre l’elettronica finale del rivelatore SSD utilizza resistori
da 270 kΩ. Per tale motivo i test eseguiti sui rivelatori Sintef sono stati condotti con questi ultimi.
Pag. 54
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.10. Moduli con corrente anomala
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Figura 3.31: Curva tensione-corrente per un modulo con alta corrente in polarizzazione inversa
ottenuta lasciando flottante l’elettronica del lato n. La corrente si riporta su valori al di sotto
del µA, come tipico per moduli non difettosi.
Un’analisi del rumore eseguita sul rivelatore ci ha permesso di mettere in evidenza
la presenza di aree limitate particolarmente rumorose; possiamo dunque supporre che
il problema sia locale, e coinvolgente poche strip. Questo ci conduce quindi, come
passo successivo, ad analizzare otticamente, tramite microscopio, la regione sospetta.
L’ispezione di alcuni moduli che presentavano questo tipo di problematica ci ha portato
a ipotizzare che l’andamento anomalo della corrente fosse legato alla presenza di un corto
tra pad AC e p − stop sul lato n. Normalmente infatti, quando il sensore è svuotato, i
p − stop si caricano negativamente rispetto alle strip n+ che in tal modo, sono isolate
fra loro. Tuttavia, se a causa di un difetto di fabbricazione è presente un contatto fra la
strisciolina metallica ed il p − stop, oltre un certo valore di tensione il p − stop si viene
ad una tensione maggiore di quella delle strip e da quest’ultimo vengono iniettate nel
bulk un gran numero di lacune che vengono raccolte alle strip p (Figura 3.32).
Figura 3.32: Disegno raffigurante lo schema dell’alimentazione di un sensore SSD in polarizzazione inversa. La presenza di un corto tra pad AC e p − stop provoca l’iniezione di lacune
da parte di quest’ultimo che contribuiscono alla corrente attraverso il modulo, che risulta molto
maggiore dei valori di norma. Le frecce rosse sottili rappresentano il percorso seguito dalla corrente di leakage mentre la freccia rossa spessa rappresenta la corrente spuria costituita dalle
lacune iniettate nel bulk.
Quale verifica di tale ipotesi, abbiamo eseguito una curva tensione-corrente, non
lasciando più l’ibrido n flottante ma applicando una contro-tensione di alcuni volt all’elettronica del lato n secondo lo schema riportato in Figura 3.33.
Figura 3.33: Disegno raffigurante lo schema dell’alimentazione di un sensore SSD in polarizzazione inversa con tensione di correzione applicata all’elettronica del lato n. L’ibrido n non è
lasciato flottante ma vi sono applicati alcuni volt di contro-tensione.
In questo modo, l’ibrido n e quindi il p-stop che è in corto con la strip di metallo,
viene riavvicinato di alcuni volt (4 V e 7 V nell’esempio riportato in Figura 3.34) al valore
del bias ring del lato n. Le curve I-V qui riportate mostrano come l’applicazione di tale
contro-tensione riduca in modo consistente il valore della corrente, in quanto, in tal modo,
si è permesso il ristabilirsi dei corretti campi elettrici nel sensore inibendo l’iniezione di
lacune dal p − stop nel bulk in quanto spostiamo l’insorgere del comportamento anomalo
a tensioni maggiori.
Figura 3.34: Curve I-V di un sensore con alta corrente. Esse rappresentano il caso in cui
all’elettronica del lato n non è applicata alcuna contro-tensione (azzurra), sono applicati 4 e 7
volt di contro-tensione (rossa e gialla), l’ibrido n è lasciato flottante (verde).
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 55
3.10. Moduli con corrente anomala
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Un’ulteriore analisi del rumore delle strip del lato n (Figura 3.35), eseguita tramite un
programma realizzato in LabVIEW, aiuta ad individuare quali tra esse sono candidate ad
essere difettose. Tale programma consente di visualizzare, passo per passo, l’andamento
del rumore sui canali del sensore durante la curva di polarizzazione inversa. Le strip che
durante tale analisi mostrano alto rumore sono le candidate difettose. Questo perché
la corrente in eccesso presente sul sensore deve passare attraverso il canale difettoso e
pertanto ci aspettiamo di osservare un rumore più alto nella zona corrispondente alla
strip candidata. In Figura 3.35 (lato p a sinistra, lato n a destra) si nota che alle strip n
sospette corrispondono alcune strip p rumorose: questo perché, a causa della particolare
geometria del sensore (angolo relativo di 35 mrad tra strip p ed n), la corrente spuria
tende ad interessare un piccolo gruppo di strip p. Si noti che sul lato n, il canale centrale
(verosimilmente quello in corto con i p − stop) mostra un rumore molto basso a causa
della saturazione o rottura del preamplificatore).
Figura 3.35: Pannello del programma di analisi del rumore. I due grafici mostrano il valore
del rumore misurato (in ordinata) in funzione del canale (in ascissa) per il lato p, a destra, ed
il lato n, a sinistra. Le strip che mostrano alto rumore sono probabilmente difettose in quanto
la corrente in eccesso presente sul sensore deve passare attraverso il canale difettoso e pertanto
ci aspettiamo di osservare un rumore più alto nella zona corrispondente alla strip sospetta. Alle
strip n verosimilmente difettose corrispondono alcune strip p rumorose: a causa della geometria
del sensore, la corrente spuria tende ad interessare un piccolo gruppo di strip p. Sul lato n, il
canale centrale (verosimilmente quello in corto con i p − stop) mostra un rumore molto basso a
causa della saturazione o rottura del preamplificatore)
L’ispezione delle zone sospette procede quindi tramite un’analisi al microscopio del
sensore. In tal modo si può confermare la presenza di possibili corti tra pad AC e p−stop,
come mostrato in Figura 3.36.
Figura 3.36: Dettaglio al microscopio di un possibile corto tra pad AC e p − stop. Il corto
è stato causato da un difetto costruttivo a livello della microsaldatura tra striscia metallica e
canale dell’elettronica.
Per verificare la correttezza dell’ipotesi e per risolvere il problema, eliminiamo il corto
tra canale dell’elettronica e pad AC ed eseguiamo una nuova curva tensione-corrente del
sensore. Il successo dell’operazione è confermato dal fatto che i valori di corrente sono
nuovamente nella norma (Figura 3.37).
Figura 3.37: Curva tensione corrente di un sensore SSD con alta corrente in polarizzazione
inversa. Il grafico di sinistra mostra l’andamento della corrente prima del taglio della strip
difettosa, il grafico di destra dopo il taglio. La corrente si è riportata entro i valori di norma
dimostrando che il problema è stato risolto.
Grazie a questi studi abbiamo messo a punto una procedura ‘standard’ per il recupero
dei moduli con alta corrente. Essa prevede di ripercorrere i passi effettuati durante gli
Pag. 56
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
3.10. Moduli con corrente anomala
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
studi preliminari appena citati. Pertanto, di fronte ad un modulo con alta corrente,
per prima cosa applichiamo ad esso alcuni volt di contro-tensione, onde verificare che
il problema sia riconducibile ad un corto tra pad AC e p − stop. La successiva analisi
del rumore del sensore ci consente di individuare la zona in cui si trovano le probabili
strip difettose. A questo punto è necessario verificare che le strisce cosı̀ identificate
siano effettivamente difettose. Per far questo abbiamo messo a punto un sistema molto
efficace facente uso di una Probe Station. Il circuito realizzato (Figura 3.38) consente di
contattare in modo puntuale il bias ring del modulo (non alimentato) e la piazzola AC
di ogni singolo canale in modo da accertarne la funzionalità.
Figura 3.38: Rappresentazione grafica del circuito realizzato all’interno della Probe Station.
Tramite gli aghi si contattano il bias ring e la singola pad AC. La presenza di un contatto tra
pad AC e p − stop permette alla fotocorrente, indicata con la freccia blu, di passare attraverso
l’elettronica e venir rilevata dal voltmetro.
Un voltmetro viene messo in contatto con la pad AC ed il bias ring (contattato sulla
corrispondente traccia sull’ibrido) . Tramite un illuminatore a fibre ottiche si illumina la
superficie attiva del sensore stimolando la creazione di coppie elettrone-buca che vengono
raccolte dalle strip (fotocorrente). Un flusso di corrente attraverso il voltmetro (rilevato
come caduta di tensione ai capi della sua resistenza interna) è prova della presenza di
un canale difettoso. Tale corrente infatti, non è presente in caso di canale funzionante in
quanto l’accoppiamento capacitivo tra il sensore e l’elettronica ne impedisce il passaggio
attraverso l’ibrido. Un contatto tra pad AC e p − stop permette a questa fotocorrente
di passare attraverso l’elettronica e venir rilevata dal voltmetro.
I canali evidenziati in questo modo verranno sconnessi dall’elettronica. In Figura 3.39
abbiamo l’esempio di un modulo alloggiato nella Probe Station, nella quale si possono
notare il microscopio usato per l’analisi ottica, le probe in contatto con il sensore e
l’illuminatore utilizzato per stimolare la fotocorrente.
Figura 3.39: Foto di un sensore SSD nella Probe Station.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 57
3.10. Moduli con corrente anomala
Pag. 58
Capitolo
3. Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo 4
Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
4.1
Caratteristiche generali
L’alimentazione dei 72 ladder su cui sono montati i moduli a microstrip costituisce un
aspetto di fondamentale importanza nella realizzazione del rivelatore SSD. Il posizionamento degli alimentatori (poco al di fuori del magnete, dove sono presenti un campo
residuo ed un irraggiamento non trascurabili) e la necessità di mantenere quanto più basso possibile il rumore di fondo dell’elettronica, impongono lo sviluppo di un sistema di
alimentazione con particolari caratteristiche e rispondente a precise richieste che passeremo ora ad analizzare nel dettaglio.
Da un punto di vista elettrico i ladder sono suddivisi in due metà indipendenti; per
il funzionamento di ciascuna di esse è necessario fornire alimentazione alle seguenti
componenti:
• elettronica di lettura e gestione che risiede sull’ibrido connesso al lato n del sensore
• elettronica di lettura e gestione che risiede sull’ibrido connesso al lato p del sensore
• elettronica delle EndCap
• sensore
Una prima linea alimenta in parallelo tutti i sensori di mezzo ladder (tramite resistori
da 270 kΩ), una seconda linea tutti gli ibridi dei lati n ed una terza tutti quelli dei lati p;
poiché un singolo sensore assorbe correnti dell’ordine di 2 µA, mentre i chip assorbono
alcune decine di mA (ricordando che ogni modulo possiede 12 chip e che mezzo ladder
è per lo meno composto da 10 moduli) segue che la tensione e la corrente massime
necessarie per l’alimentazione dei sensori sono pari a 100 V e 1 mA mentre gli ibridi
ammontano a 7 V e 5 A, prendendo in considerazione tanto la caduta di potenziale
59
4.1. Caratteristiche generali
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
lungo i cavi quanto un margine di sicurezza del 20%. Infine nel caso dell’elettronica delle
EndCap i valori massimi necessari sono 7 V e 3 A.
L’architettura del rivelatore ed il suo funzionamento ottimale impongono una serie di
vincoli al sistema di alimentazione:
1. tanto l’alimentazione degli ibridi quanto quella del sensore devono essere isolati
dalla massa in modo da poter agganciare tutti i potenziali del rivelatore ad un
medesimo riferimento di massa comune a tutto il tracciatore, con l’obiettivo di
abbattere le oscillazioni di modo comune evitando l’instaurarsi di loop di massa.
2. il potenziale di riferimento dell’elettronica di ciascun ibrido è agganciato al valore
della tensione della rispettiva faccia (p o n) del sensore. Pertanto l’alimentatore di
bassa tensione dovrà essere completamente flottante ovvero in grado di fornire una
differenza di potenziale (d.d.p.) di alcuni volt al di sopra di un valore di riferimento
che può variare da -100 a +100 V.
3. al fine di minimizzare, in fase di disaccoppiamento dei segnali, la d.d.p tra l’elettronica flottante degli ibridi e quella a ground delle EndCap, si richiede di fornire
una tensione di svuotamento Vb del sensore in modo simmetrico sui due lati rispetto
al potenziale di ground, cioè + V2b al lato n e − V2b al lato p.
4. poiché vogliamo che il contributo al rumore da parte delle schede di alimentazione
sia quanto più basso possibile, il ripple (ossia l’oscillazione presente all’uscita dell’alimentatore) dovrà essere il più basso possibile sia nelle componenti a bassa
frequenza (che influenzano il common mode) sia nelle componenti ad alta frequenza (che influenzano il rumore sul singolo canale). In particolare si richiede che il
ripple sia inferiore a 30 mV (picco-picco) per le schede di alta tensione e inferiore
a 5 mV (picco-picco) per le schede di bassa tensione.
5. richiediamo la presenza di sistemi di protezione quali soglie di sovracorrente, sia
software che hardware, possibilità di kill della tensione in caso di superamento della
soglia ed altri accorgimenti sui quali non mi soffermo ma necessari per proteggere
il tanto il sistema di alimentazione quanto il rivelatore da eventuali cortocircuiti o
sbalzi di tensione.
6. il sistema dovrà essere in grado si sostenere dosi moderate di radiazione (Rad T olerant) in quanto si troverà ad operare in una zona con dosi di radiazione dell’ordine
di 1,2·10−2 Gy e flusso di neutroni da 1 MeV equivalenti pari a 3·108 n/cm2 integrati
su 10 anni di attività. E’ inoltre previsto un campo magnetico residuo di 300 Gauss,
dunque tale da creare problemi sia a livello di trasformatori sia a livello di ventole
di raffreddamento. Le schede dovranno essere progettate con un certo margine di
sicurezza rispetto a tali valori, in quanto le simulazioni effettuate hanno un certo
margine di errore. In particolare, i valori di tolleranza minimi richiesti sono:
(a) 5·10−2 Gy, intesa come dose totale integrata su 10 anni
Pag. 60
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
4.1. Caratteristiche generali
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
(b) flusso massimo di 1·1010 cm−2 neutroni equivalenti da 1 MeV (sempre in 10
anni)
(c) tolleranza per Single Event U pset fino ad un flusso di 2·1010 particelle/cm2
(d) possibilità di operare in campo magnetico residuo di 300 Gauss
Le condizioni sin qui esposte hanno portato alla definizione dell’architettura dell’alimentazione cosı̀ come schematizzato in Figura 4.1
Figura 4.1: Disegno rappresentante lo schema dell’alimentazione di un semi-ladder. La scheda
viola intermedia è l’EndCap nella quale si hanno le redistribuzioni delle tensioni di alimentazione
ai singoli moduli. Alte tensioni, per la polarizzazione del sensore, e basse tensioni, per l’alimentazione degli ibridi di lettura e delle EndCap, sono fornite separatamente. Lo 0 delle basse
tensioni è f loating ed è agganciato all’alimentatore delle alte tensioni. La linea colorata in verde
rappresenta il riferimento di ground dell’esperimento. Le linee contrassegnate con la S sono le
linee di sense il cui compito è misurare la tensione applicata sul carico: in caso quest’ultima non
sia pari a quella richiesta per il funzionamento (a causa della caduta di tensione lungo i cavi), la
scheda alimentatrice regolerà di conseguenza la tensione erogata. Si tenga conto che nella figura,
per semplicità, è indicato solo uno dei circa 10 moduli alimentati in parallelo e che compongono
un semi-ladder.
Si noti che lo schema corrisponde alla configurazione delle schede effettivamente utilizzate ove i tre canali di bassa tensione (ibridi ed EndCap) sono alloggiati all’interno
della stessa scheda mentre la tensione di svuotamento viene fornita mediante due alimentatori di polarità opposta.
Sulla base di tutte queste esigenze è stato redatto un bando di concorso per una gara
d’appalto. L’industria privata che si sarebbe aggiudicata l’appalto, avrebbe sviluppato
un prototipo iniziale sia per la scheda di alta tensione che per quella di bassa, mentre
la fase finale dello sviluppo sarebbe stata portata avanti in modo congiunto con continui feedback volti all’ottimizzazione dei prototipi. Durante questo lavoro di tesi ho
contribuito allo studio delle caratteristiche dei prototipi, alla fase finale dei test, ed alla
ricerca di soluzioni, a livello di scheda e di schema di alimentazione del sensore, che
permettessero di ridurre quanto più possibile il contributo degli alimentatori al rumore
del rivelatore SSD.
La gara d’appalto per la realizzazione del sistema di alimentazione è stata vinta da
CAEN SpA [38] la quale ha proposto, come prototipo di soluzione, il sistema EASY
(Embedded Assembly SYstem) 3000. Esso si divide in due parti: una parte ‘intelligente’
e non resistente alla radiazione, la quale verrà posizionata nella camera di controllo, ed
una parte resistente alla radiazione che si troverà alloggiata nell’area ostile (ossia esposta
alla radiazione ed al campo magnetico residuo). Diamo ora una breve descrizione del
sistema EASY per concentrarci poi sulla fase di test e sviluppo finale.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 61
4.2. Descrizione generale
4.2
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
Descrizione generale
In questo paragrafo descriverò brevemente l’architettura e le principali componenti del
sistema di alimentazione. Il sistema EASY3000 permette di posizionare le schede di alimentazione direttamente nell’area ostile mentre la gestione delle schede viene realizzata
in modalità remota tramite un Branch Controller alloggiato in un mainframe SY1527
nella sala di controllo (Figura 4.2).
L’EASY3000 viene alimentato da una tensione continua esterna di 48 V mediante due
indipendenti linee di alimentazione: la prima delle due (48 V Power) alimenta i singoli
canali, la seconda (48 V Service) alimenta la logica di controllo.
Figura 4.2: Schema complessivo del sistema di alimentazione. La componente intelligente (mainframe SY1527 e branch controller) si trova nella sala controllo, mentre le schede di alimentazione
e l’alimentatore da 48 V si trovano nell’area ostile.
Le tecniche con cui sono stati realizzati gli alimentatori consentono loro di operare
anche in condizioni di radioattività i cui valori di dose integrata sono di 1011 cm−2
protoni e 2·1012 cm−2 neutroni e potranno operare in presenza di un campo residuo fino
ad un massimo di 2 kGauss soddisfacendo in tal modo alle richieste avanzate.
4.2.1
Il Branch Controller Mod. A1676A
Il modello A1676A Branch Controller viene alloggiato all’interno del mainframe SY1527
ed è collegato con il crate remoto EASY3000 ove risiedono le schede di alimentazione.
Esso (Figura 4.3) può controllare in remoto fino a 6 crates i quali possono alloggiare set
differenti di schede EASY3000, motivo per cui è necessario configurare il firmware del
Branch Controller tramite un opportuno file di setup contenente tutte le informazioni
riguardo al numero, al tipo, alla posizione delle schede nel crate remoto.
Figura 4.3: Branch Controller A1676A - Pannello frontale. Si notano i due connettori grazie
ai quali è possibile interfacciare il brach controller ed il crate EASY, gli interruttori di sicurezza
(interock) ed un pulsante di reset.
Il controllo in remoto del crate è realizzato tramite connettori di output posti nel
pannello frontale dell’A1676A, sul quale sono inoltre presenti dei led di segnalazione, un
pulsante di reset e degli interruttori di interlock.
4.2.2
Connessione A1676A - EASY3000
La connessione tra il branch controller A1676A ed i crate EASY3000 può essere realizzata
in due modi differenti. Il primo dei due prevede l’utilizzo di cavi piatti a 50 pin tra
l’A1676A ed il primo dei crate e in sequenza tra questo ed i crate successivi cosı̀ come
mostrato in figura 4.4. Il branch controller genera un segnale per tutti i crate; il primo
usa solamente la ‘Sezione 0’ dei segnali di controllo giunti in input e passa le sezioni
Pag. 62
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
4.2. Descrizione generale
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
successive in output agli altri crate connessi in sequenza. Tale soluzione risulta ottimale
quando ci si trova ad operare con più crate posizionati nel medesimo rack grazie alla
possibilità di operare con cavi di lunghezze ridotte e meno ingombranti.
Figura 4.4: : Connessione tra A1676A ed i crate tramite cavi piatti a 50 fili. Il segnale generato
dal branch controller viene passato al crate il quale usa solamente la sezione ad esso dedicata
passando in uscita le altre.
La seconda possibilità di connessione prevede invece l’uso del connettore di controllo
DSUB50, tramite un cavo splittato il quale è connesso con ogni sezione dell’EASY BUS
attraverso i connettori DB9 del crate, come mostrato in figura 4.5:
Figura 4.5: : Connessione tra A1676A ed i crate tramite cavi splittati.
A differenza della precedente, tale soluzione è migliore nel caso in cui si debba lavorare
con crate localizzati in posti diversi in quanto possono essere raggiunti tutti in parallelo.
4.2.3
Scheda di alimentazione A3602
La scheda A3602 [40] (Figura 4.6) alloggia tre canali totalmente flottanti che erogano
fino a 7 Volt di tensione e 5 Ampere di corrente.
Figura 4.6: : Pannello frontale della scheda di bassa tensione A3602. Si nota il connettore di
output della tensione gli interruttori di sicurezza (interlock) e di abilitazione, nonché alcuni led
con il compito di segnalare il corretto funzionamento della scheda.
La tensione erogata dal connettore di output può essere fissata all’interno di un range
compreso tra i 2 ed i 7 V con una risoluzione di 5 mV; la scheda è dotata di Linee di
Sense al fine di compensare la caduta di tensione lungo il cavo di connessione.
In accordo con le richieste prima illustrate, l’A3602 prevede la presenza numerosi allarmi
e protezioni; in particolare sono presenti monitoraggi della tensione (soglie di OVER
VOLTAGE e di UNDER VOLTAGE), della corrente (soglia di OVER CURRENT) e
possibilità di TRIP istantaneo o regolabile in tempo (in caso di TRIP infinito il canale
si comporta come un generatore di corrente costante).
4.2.4
Scheda di alimentazione A3501
La scheda A3501 [41] (Figura 4.7) alloggia dodici canali flottanti fino a v 10 V che
erogano fino a 100 Volt in tensione e 1 mA in corrente.
Per alimentare un semi-ladder verranno utilizzate due schede di polarità opposta
(A3501P e A3501N), positiva e negativa, le quali sono caratterizzate da una risoluzione
di 100 mV nel range di lavoro (0 ÷ 100 V). In maniera del tutto analoga alla scheda
A3602, sono previsti anche in questo caso una serie di dispositivi di sicurezza sia per
la tensione che per la corrente, la quale è monitorata con una risoluzione di 100 nA ed
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 63
4.3. Sviluppo e test
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
Figura 4.7: : Pannello frontale della scheda di alta tensione A3501.
anche per essa è presente un sistema di TRIP analogo a quello della scheda di bassa
tensione.
La tensione di alimentazione viene portata al sensore per mezzo di un pannello adattatore
appositamente realizzato: dalle schede A3501 tramite cavi LEMO si arriva al pannello
adattatore e da questo, grazie ad un cavo con connettore a 50 pin si giunge ai sensori.
4.3
Sviluppo e test
La fase finale di sviluppo e test sugli alimentatori è stata portata avanti in modo congiunto con i tecnici CAEN. Al fine di ottenere un progressivo miglioramento delle prestazioni
delle schede, abbiamo effettuato una serie di studi e test delle stesse evidenziandone dei
problemi ed implementando delle modifiche in modo da migliorarne il comportamento.
In particolare, si possono distinguere tre fasi:
1. Studio della risposta su singola scheda non connessa all’elettronica
2. Studio del comportamento della scheda in fase di alimentazione di un modulo SSD,
in particolare per quanto concerne l’impatto sul rumore e sull’oscillazione di modo
comune
3. Studio del comportamento della scheda in fase di alimentazione di un ladder
Ognuno di questi passi aveva lo scopo di mettere il luce aspetti diversi e consentire
pertanto di distinguere e risolvere separatamente le varie problematiche. Passiamo quindi
ad analizzare le tre situazioni.
4.3.1
Test di risposta su singola scheda
Le prime misure eseguite sugli alimentatori sono stati test di risposta su singola scheda.
Tali test avevano come obiettivo verificare il comportamento dei parametri di ripple ed
assorbimento in varie configurazioni sia per la scheda di bassa tensione sia per quella di
alta. Descriviamo brevemente le misure di ripple:
• Scheda A3602: le misure di rumore per la scheda di bassa tensione sono state
effettuate mediante una sonda differenziale LeCroy DA1855A [39] accoppiata ad
un oscilloscopio LeCroy Wavepro 7300A. Le misure sono state eseguite per diverse
tensioni di uscita. In particolare si sono effettuate misure con carichi resistivi di 4
Ω e condensatori di filtro da 1 µF in parallelo, il tutto opportunamente schermato
per studiare la risposta ed ottenere dei risultati di misura in condizioni ripetibili.
Dei segnali di rumore si sono misurate sia le ampiezze picco-picco relative al solo
inviluppo principale del segnale, sia le ampiezze picco-picco che si ottengono includendo anche le componenti impulsive che fuoriescono dall’inviluppo. In tutte
Pag. 64
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
4.3. Sviluppo e test
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
le misure, il valore del ripple si è sempre mantenuto inferiore ai 5 mV picco-picco
considerando solo l’inviluppo principale mentre considerando anche le componenti
impulsive tale valore viene talvolta superato, mantenendosi comunque sempre al
di sotto dei 6 mV picco-picco (vedi Figure in Appendice B).
• Schede A3501: misure analoghe si sono svolte per le schede di alta tensione. Le
misure sono state eseguite, canale per canale, per diversi valori di tensione in uscita
(sempre con carico); in tutti i casi il ripple si è sempre mantenuto inferiore ai 1520 mV picco-picco, considerando solo l’inviluppo principale mentre considerando
anche le componenti impulsive, in alcuni casi, tale valore supera i 30 mV (vedi
Figure in Appendice B).
In questa fase è stata condotta anche una serie di altre misure su cui però non ci
soffermeremo, tra le quali, ad esempio, misure di assorbimento, misure di comportamento
dinamico delle tensioni e delle correnti in corrispondenza a variazioni istantanee dello
stato del sistema e misure di isolamento e flottanza del canale. Tali operazioni ci hanno
portato ad evidenziare una serie di problemi che sono stati successivamente risolti.
4.3.2
Test di alimentazione su singolo modulo
I test eseguibili con l’oscilloscopio sulla singola scheda non sono in grado di mettere in
evidenza tutte le possibili problematiche riscontrabili in fase di alimentazione del rivelatore. Si è quindi proceduto a studiare il comportamento di un singolo modulo SSD in
particolare per quanto concerne l’oscillazione di modo comune. Quest’ultima è un’oscillazione coerente di tutti i canali facenti riferimento per lo meno al medesimo chip di
lettura, e può venir calcolata e sottratta per misurare il rumore intrinseco incoerente relativo a un canale del sensore. Questa è una problematica comune nell’uso dei rivelatori
a microstrisce di silicio, tuttavia se tale oscillazione risulta preponderante rispetto al rumore intrinseco risulta molto problematica da gestire. In conseguenza di ciò il rapporto
segnale/rumore caratteristico del modulo risulta fortemente depresso e al limite, troppo
basso per un efficiente riconoscimento di traccia. Precisiamo inoltre che i test, aventi
come oggetto il contributo al common mode, costituiscono parte integrante non solo della fase di sviluppo ed accettazione dei prototipi ma saranno anche nucleo fondamentale
di un sistema di accettazione complessiva, tutt’ora in costruzione, che utilizzeremo nella
fase di produzione in serie.
I test sono stati effettuati alimentando un singolo modulo SSD come rappresentato in
Figura 4.8. Gli alimentatori ivi presenti sono da intendersi rappresentativi tanto del sistema EASY quanto di alimentatori lineari che sono stati utilizzati in alternativa parziale
o totale a quelli EASY per poter effettuare degli studi comparativi, in quanto gli alimentatori lineari introducono una componente di modo comune trascurabile.
Il software utilizzato per le misure (ricavato a partire da quello di accettazione dei moduli descritto nel precedente capitolo), ci consentiva la visualizzazione del rumore prima
e dopo la correzione del common mode, rendendo dunque possibile un’immediata valuProduzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 65
4.3. Sviluppo e test
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
tazione di quest’ultimo.
La configurazione sperimentale rappresentata in Figura 4.8 nel caso del sistema EASY
consiste di un mainframe SY1527 il quale governa, per mezzo del branch controller, il
crate nel quale sono alloggiate la scheda A3602, che alimenta ibridi ed endcap, e le schede
A3501P ed A3501N che alimentano, per mezzo di un pannello adattatore, il sensore. A
sua volta il crate EASY è alimentato da un alimentatore AC/DC da 48 volt.
Figura 4.8: : Schema completo del layout del sistema di alimentazione EASY utilizzato nei test
di studio di singolo modulo. L’alimentatore AC/DC da 48 V alimenta il crate EASY il quale
viene gestito in remoto dal mainframe SY1527. Le schede A3501 sono collegate in serie.
Le schede di alta tensione A3501 sono collegate in serie tra loro ed agganciate ad un
punto comune riferito a massa; a loro volta i canali della scheda di bassa tensione A3602
alimentanti gli ibridi sono agganciati ai rispettivi valori della tensione di bias, mentre il
canale alimentante le EndCap è agganciato a massa.
I test effettuati hanno comportato diversi tipi di interventi quali lo studio di diverse
configurazioni di schermaggio e riferimento di massa nonché interventi di abbattimento
dell’oscillazione di modo comune. Questi ultimi si sono concretizzati tanto nell’implementazione di sistemi di filtraggio capacitivo esterni alla scheda di alimentazione quanto
nell’introduzione di filtraggi capacitivi ed induttivi all’interno della scheda nonché modifiche volte, ad esempio, alla minimizzazione di accoppiamenti capacitivi spuri dei canali
in uscita.
Il contributo più rilevante all’oscillazione di modo comune è risultato provenire dalla
scheda di bassa tensione A3602 che pertanto ha subito il maggior numero di modifiche.
In Figura 4.9 è rappresentato lo schema di alimentazione del modulo in cui sono evidenziati i sistemi di filtro all’uscita del canale. In Appendice B sono riportati i risultati
relativi ad alcune delle configurazioni provate.
Tali modifiche, operate in collaborazione con i tecnici CAEN, hanno coinvolto in maggior
parte la disposizione e distribuzione degli apparati di filtro, induttanze e condensatori,
dei singoli canali interni alla scheda nonché una serie di altre modifiche nel cui dettaglio
non entreremo. Tale fase di messa a punto ha portato ad un abbattimento del contributo
della scheda di bassa tensione al rumore di common mode di quasi un fattore 10 con dei
valori finali di circa 10 unità di ADC per il lato p del sensore e circa 15 unità per il lato
n, ove il valor medio di unità ADC corrispondente al passaggio di un MIP è di circa 80.
Figura 4.9: Disegno raffigurante la configurazione di filtraggio interna alla scheda A3602 che è
risultata la migliore in fase di test su singolo modulo. I condensatori sono disposti a ‘triangolo’
ossia collegano tra loro i poli negativi dei tre canali di bassa tensione a due a due tra loro.
Pag. 66
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
4.4. Il sistema di accettazione
4.3.3
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
Test di alimentazione su ladder
La fase finale di test è stata possibile solo una volta costruiti i primi ladder sui quali
abbiamo condotto, presso l’Università di Utrecht, test analoghi a quelli condotti a Trieste.
Essendo l’elettronica di gestione e lettura delle EndCap diversa da quella utilizzata dai
test di singolo modulo ed essendo le problematiche di alimentazione di un ladder diverse
da quelle di un singolo modulo, molti dei test già effettuati e Trieste sono stati ripetuti.
Possiamo passare ad illustrarne i risultati essenziali, rimandando all’Appendice C per i
dettagli.
I risultati ottenuti sono qualitativamente e quantitativamente analoghi a quelli ottenuti
con un singolo modulo tuttavia le operazioni di ottimizzazione della risposta in funzione
di diverse configurazioni di filtro ci hanno portato a sceglierne una leggermente differente
da quella che in sede di test su singolo modulo si era mostrata la migliore (Appendice C).
Infine abbiamo eseguito alcune misure alimentando ladder adiacenti al fine di verificare
eventuali problematiche di interferenza tra ladder vicini o tra due metà dello stesso
ladder. Non si sono evidenziati particolari problemi in alcuno di questi casi. I risultati,
pur presentando una certa variabilità (v 30%) tra ladder e ladder, oscillano attorno a
valori di 5 e 8 canali di ADC, rispettivamente per il lati p ed n, mentre l’oscillazione di
modo comune è compresa tra due e tre volte il valore del rumore intrinseco dei canali.
4.4
Il sistema di accettazione
In vista della produzione di 144 schede A3602 e 24 schede A3501, stiamo realizzando
un software di test in ambiente LabVIEW, che ci consenta di analizzare, in modo automatizzato, la qualità e gli eventuali difetti presenti sugli alimentatori. Il sistema di
accettazione farà una verifica dei parametri fondamentali per un corretto funzionamento
delle schede di alimentazione quali ad esempio la calibrazione in tensione e corrente,
la valutazione del ripple e dell’oscillazione del common mode. Il test, che analizzerà il
comportamento di ogni singolo canale di ogni scheda, sarà suddiviso in tre fasi principali:
• Calibrazione delle schede e verifica dei sistemi di controllo e monitoraggio
Con l’ausilio di un voltmetro e di un amperometro comandati remotamente eseguiamo in modo automatizzato, con diversi carichi resistivi, delle curve tensionetensione (rispettivamente misurate dall’EASY e dal voltmetro) e corrente-corrente
(rispettivamente misurate dall’EASY e dall’amperometro), accertando la qualità
delle calibrazioni. Andremo, inoltre a indurre situazioni di overcurrent verificando i sistemi di protezione della scheda (limiti in corrente e tempi di trip). In
Figura 4.11 abbiamo un esempio di curve di calibrazione eseguite dal test per una
scheda di bassa tensione.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 67
4.4. Il sistema di accettazione
Capitolo
4. Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD
Figura 4.10: Curva tensione - tensione eseguita dal sistema di accettazione per una scheda
di bassa tensione. Per meglio evidenziare eventuali imperfezioni nella calibrazione del canale,
osserviamo, in funzione della tensione misurata da un voltmetro esterno, la differenza tra tensione
monitorata dall’EASY e misurata dal voltmetro.
Figura 4.11: Curva corrente - corrente eseguita dal sistema di accettazione, per una scheda
di bassa tensione su carico da 10 Ω. Per meglio evidenziare eventuali imperfezioni nella calibrazione del canale, osserviamo, in funzione della corrente misurata da un amperometro esterno,
la differenza tra corrente monitorata dall’EASY e misurata dall’amperometro.
• Analisi del ripple
Grazie ad un oscilloscopio, eseguiremo misure di ripple a diverse tensioni erogate
dai canali e con diversi carichi in maniera del tutto analoga a quelle realizzate durante lo sviluppo. Verificheremo, inoltre, il comportamento dei canali nel momento
dell’accensione e dello spegnimento, analizzando eventuali profili di overshoot o
undershoot.
• Test di rumore su singolo modulo
Infine, alimentando un sensore SSD, esamineremo il contributo al common mode
dei singoli canali della schede, verificando che esso risulti compatibile con i risultati
ottenuti durante lo sviluppo.
Al momento in cui è stato completato tale elaborato, è già iniziata la produzione in
serie delle schede di alimentazione tuttavia il sistema di accettazione non è stato ancora
completato nella sua parte software.
Pag. 68
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Capitolo 5
Montaggio e test del rivelatore SSD
I moduli costruiti e testati nelle varie sedi (Trieste, Helsinki e Strasburgo) sono stati
spediti ai laboratori NIKHEF di Amsterdam dove sono stati montati su ladder (Figura
5.1) facendo uso di un sistema di posizionamento micrometrico costruito per questo
scopo.
Figura 5.1: Foto di ladder SSD montato. Si possono notare i singoli moduli agganciati alla
struttura in fibra di carbonio, parallela alla quale scorrono i tubicini dell’acqua refrigerante. E’
inoltre indicata una delle sfere di rubino, presenti sugli anelli del cono, grazie alle quali i ladder
possono essere allineati con precisione.
Le varie e complesse operazioni meccaniche e di interconnessione elettrica necessarie
per montare i moduli sui ladder, e quindi i ladder sul cono, hanno reso necessario un
attento studio e test della funzionalità del sistema nelle varie fasi della realizzazione. E’
stato inoltre fondamentale analizzare il comportamento dei moduli una volta alloggiati
su ladder poiché, in questa nuova configurazione, vengono alimentati in parallelo da 10
a 13 moduli a seconda del semi-ladder considerato.
5.1
Test di ladder in fase di montaggio
La prima fase di test è stata condotta presso i laboratori NIKHEF di Amsterdam. In
questa sede, l’analisi condotta è stata rivolta alla certificazione della funzionalità di ogni
singolo modulo a seguito del montaggio. Il sistema di accettazione implementato fa uso
di alimentatori lineari analoghi a quelli utilizzati nel corso dei precedenti test in fase
di realizzazione dei moduli ed il software impiegato, realizzato in ambiente LabVIEW
implementa i medesimi algoritmi. Nel dettaglio, si sono operati i seguenti controlli:
• ricerca di eventuali ibridi non funzionanti
69
5.2. Test di ladder in configurazione finale
Capitolo
5. Montaggio e test del rivelatore SSD
• verifica della tensione di svuotamento di ogni semi-ladder: essa viene fissata sommando 5 volt alla tensione di svuotamento più alta tra quelle dei moduli del
semi-ladder
• misura della corrente di svuotamento del semi-ladder: data dalla somma delle
correnti di svuotamento di tutti i moduli
• misura del rumore dei singoli moduli prima e dopo la sottrazione della componente
di common mode alla tensione di svuotamento
• individuazione dei canali difettosi
Tali test ci hanno permesso di tener sotto controllo la qualità e le caratteristiche del
modulo e di evidenziare l’insorgenza di eventuali nuovi problemi in fase di interconnessione dei moduli. Ad esempio si è in taluni casi evidenziata la comparsa di connessioni
spurie verso massa, e grazie alla tempestiva individuazione del problema è stato possibile
affrontarlo e risolverlo evitando in tal modo danni al ladder, ovvero l’inoperatività dello
stesso una volta montato nella destinazione finale.
5.2
Test di ladder in configurazione finale
Una volta che i moduli sono montati sui ladder è necessario studiarne il comportamento
prima del loro alloggiamento definitivo sul cono.
In primo luogo si sono eseguite una serie di misure per verificare la funzionalità globale
del ladder a cui sono seguiti degli studi più approfonditi del comportamento dei moduli.
Per condurre tali test i ladder sono stati montati su una struttura metallica ed inseriti
quindi in un cilindro d’acciaio che fungeva da protezione meccanica, oscuramento dalla
luce ambientale e schermaggio elettromagnetico. Al fine di rendere significative tali misure, le si è condotte in una configurazione il più possibile aderente a quella operativa;
si sono pertanto utilizzati i cavi di alimentazione e trasposto del segnale di lunghezza
ufficiale, gli alimentatori CAEN-EASY (descritti nel Capitolo 4) e l’elettronica di gestione e lettura FEROM. Si sono inoltre impiegati il software di acquisizione DATE e
quello di monitoraggio MOOD che saranno gli strumenti normalmente operativi in fase
di conduzione dell’esperimento.
La prima fase di test è stata essenzialmente focalizzata sui seguenti punti:
• ricerca di eventuali ibridi non funzionanti
• correnti assorbite dall’elettronica
• correnti assorbite dalla linea di bias
• andamento del rumore sui singoli moduli alla tensione di svuotamento
• risposta del sensore in seguito ad impulsazione esterna
Pag. 70
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
5.2. Test di ladder in configurazione finale
Capitolo
5. Montaggio e test del rivelatore SSD
In Figura 5.2, ad esempio, è possibile vedere l’andamento del rumore non corretto
dal common mode per ciascun canale per il lato p (in alto) ed il lato n (in basso) di
un singolo modulo appartenente ad un semi-ladder, cosı̀ come mostrato dal programma
di monitoraggio. In rosso, ma per lo più fuori scala nella figura, è riportato l’andamento del piedistallo per ciascun canale. La Figura 5.3 mostra la schermata di overview
relativamente a tutti i moduli presenti su un semi-ladder, cosı̀ come visualizzati con il
programma di monitor.
Figura 5.2: Andamento del rumore non corretto per il common mode (in blu) e del piedistallo
(in rosso) per i lati p (in alto) ed n (in basso) di un singolo modulo appartenente ad un semiladder, cosı̀ come visualizzato da MOOD. La scala è espansa per una miglior visualizzazione del
rumore. Il piedistallo (per lo più fuori scala) presenta valori tipici di 50 ÷ 100 canali di ADC.
Figura 5.3: Andamento del rumore non corretto (in blu) per i lati p (in alto) ed n (in basso) di
tutti i moduli appartti ad un semi-ladder, cosı̀ come visualizzato da MOOD. Le curve in rosso
rappresentano i piedistalli (fuori scala).
Una volta accertata la funzionalità globale del ladder, verificando che le grandezze
misurate si trovassero all’interno di un intervallo operatività prestabilito, si è proceduto
a studiare una serie di problematiche più specifiche. La prima tra queste è legata al fatto
che tutti i moduli di un semi-ladder, come già spiegato nel Capitolo 3, sono alimentati
in parallelo ad una stessa tensione e di conseguenza lavorano, in alcuni casi, a tensioni
superiori a quelle minime di svuotamento. In generale ciò comporta la possibile comparsa
di nuovi difetti. Ad esempio si è puntata l’attenzione su:
• singoli canali o gruppi di canali che diventano significativamente più rumorosi
• eventuale comparsa di correnti spurie o instabilità
In secondo luogo siamo andati ad analizzare il comportamento del rumore e dell’oscillazione di modo comune, considerandone la variabilità da modulo a modulo, in
particolare a proposito del common mode, in diverse configurazioni di schermaggio e
di riferimenti verso massa. Risulta infatti cruciale tener sotto controllo e minimizzare
l’oscillazione di modo comune al fine di poterne eseguire una efficace correzione studiando possibili configurazioni o modifiche fin da questo stadio, stante la difficoltà di
operarle dopo l’installazione del rivelatore nella posizione finale. L’oscillazione di modo
comune è stata infine studiata in funzione di diverse configurazioni di filtro sui canali di
alimentazione delle basse tensioni, come descritto nel Capitolo 4. Per effettuare tali studi
abbiamo condotto un’analisi dedicata separando la componente di rumore da quella di
modo comune. In Figura 5.4 è possibile vedere per un singolo modulo montato su ladder,
il piedistallo, l’oscillazione di modo comune, il rumore non corretto e il rumore corretto
dal common mode. Ognuna di queste grandezze è riportata in canali di ADC, canale
per canale (ad eccezione del common mode riportato in funzione del chip). Il processo
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 71
5.3. Test di ladder montati su cono
Capitolo
5. Montaggio e test del rivelatore SSD
di ottimizzazione operato ci ha permesso di ottenere valori di common mode inferiori
alla decina di unità di ADC che risultano facilmente gestibili, essendo in tal modo possibile separare efficacemente la componente di modo comune dal rumore intrinseco (si
confrontino, in Figura 5.4, i due grafici in basso rappresentanti il rumore prima e dopo
la sottrazione della componente di modo comune).
Figura 5.4: Esempio di analisi delle componenti di rumore eseguita su singolo modulo montato
su semi-ladder. Si distinguono: il piedistallo (in alto a sinistra), l’oscillazione di modo comune
(in alto a destra), il rumore prima della sottrazione del common mode (in basso a sinistra) e il
rumore corretto per il common mode (in basso a destra).
Per verificare la possibilità di operare a tensioni di svuotamento più elevate, che
potrebbero rendersi necessarie dopo alcuni anni di operatività, al crescere della dose
assorbita dai sensori, si sono ripetute le misure sopra elencate alla tensione di 90 V.
Quelli testé elencati sono i principali test eseguiti per l’accettazione dei ladder prima
del loro montaggio definitivo sul cono, eccezion fatta per alcuni test dedicati volti alla
soluzione di problematiche specifiche dei ladder montanti moduli Sintef, relativamente
alle quali si veda il Capitolo 3.
5.3
Test di ladder montati su cono
Una volta conclusi i test dei ladder, questi sono stati montati, presso l’Università di
Utrecht, sul cono a formare quelli che saranno il 5◦ e 6◦ strato del Tracciatore Interno
(ITS) di ALICE. In Figura 5.5 è mostrato il rivelatore dopo il montaggio del 5◦ strato:
è possibile vedere lo strato più interno del rivelatore e distinguere i singoli ladder.
Figura 5.5: Foto raffigurante i ladder del layer 5 montati su cono. Questi risultano parzialmente
sovrapposti lungo la direzione del fascio in modo da evitare la presenza di zone morte. Nella
parte inferiore della figura si possono notare i tubicini rossi e blu la cui funzione è il trasporto
dell’acqua refrigerante. Il layer 6 è stato poi sovrapposto e ricopre completamente il il layer 5.
Tanto dopo il montaggio di ciascun ladder, quanto dopo il successivo trasporto presso il sito del CERN, sono stati ripetuti i test descritti nel paragrafo precedente per
verificare la funzionalità dell’intero apparato prima della sua integrazione con gli altri
rivelatori dell’ITS. In aggiunta, sono stati alimentati contemporaneamente interi settori
del rivelatore in modo da poter studiare eventuali fenomeni di interferenza tra ladder
adiacenti.
Il completamento di questa fase ci ha permesso di ottenere una panoramica puntuale,
documentata e consultabile in ogni momento su un database comune, dello status di funzionalità dell’intero rivelatore SSD il quale rientra pienamente all’interno dei parametri
di funzionalità richiesti (numero totale di canali difettosi inferiore al 2%). Grazie a
questo risultato, l’SSD potrà pertanto svolgere il suo ruolo fondamentale e dare il proPag. 72
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
5.3. Test di ladder montati su cono
Capitolo
5. Montaggio e test del rivelatore SSD
prio contributo, all’interno del Sistema di Tracciamento Interno, nella ricostruzione della
nuova fisica che sarà esplorata da ALICE.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 73
Conclusioni
Il lavoro descritto nella presente tesi si inserisce nell’ambito della realizzazione del
rivelatore a microstrip di silico (SSD) per il sistema di tracciamento interno dell’esperimento ALICE.
Durante l’attività di laboratorio, ho potuto contribuire attivamente alla fase finale della
produzione dei singoli moduli ed alla loro caratterizzazione, condotta effettuando una
complessa serie di test, con l’intento di metterne in luce gli eventuali difetti costruttivi,
studiarne le problematiche peculiari ed implementare possibili soluzioni. In tale contesto
si inserisce l’indagine approfondita condotta sui rivelatori che montano sensori Sintef;
tale studio mi ha permesso non solo di comprendere le particolarità di un difetto che essi
manifestano, e che ne rende inaccettabile il rapporto segnale-rumore, ma anche di contribuire alla ricerca di accorgimenti tecnici che ne hanno permesso la risoluzione. Questi
ultimi si sono concretizzati con l’introduzione di alcune modifiche dedicate al circuito di
alimentazione dei ladder (strutture di sostegno dei moduli SSD).
Nella seconda parte della mia attività di tesi, ho partecipato ai test eseguiti sui ladder
e sul rivelatore completo nonché allo studio e all’ottimizzazione del sistema di alimentazione del rivelatore SSD. Sono stati condotti numerosi test al fine di determinarne la
miglior configurazione onde minimizzare l’oscillazione di modo comune ed in particolare il contributo a quest’ultima delle schede di alta e bassa tensione, con particolare
attenzione nei confronti di queste ultime. Questo lavoro di sviluppo ha condotto all’implementazione di una serie di modifiche delle schede di alimentazione portando ad una
configurazione finale funzionante secondo specifiche ed è stata inoltre la base, in vista
della produzione in serie, per la realizzazione, tutt’ora in corso, di un sistema automatizzato di test che consenta di ottenere una panoramica approfondita per ogni singola
scheda di alimentazione, ne individui eventuali malfunzionamenti e permetta di intervenire per la loro riparazione.
Attualmente (febbraio 2007), il rivelatore si trova situato presso il Punto 2 nell’anello
LHC del CERN, dove è in fase di montaggio l’esperimento ALICE. Nelle prossime settimane esso verrà integrato con gli strati dei rivelatori a deriva di silicio (SDD) e quindi
inserito all’interno della Time Projection Chamber, nella posizione finale ove verranno
inseriti anche i due strati di rivelatori a pixel. L’obiettivo attuale è il completamento di
questa fase entro l’inizio dell’estate di quest’anno in modo da effettuare le prime acquisizioni con raggi cosmici che dovrebbero precedere i primi tentativi di circolazione dei
fasci negli ultimi mesi del 2007.
75
Appendice A
Moduli Sintef e contro-tensione
Riportiamo qui la soluzione tecnica implementata per risolvere il problema dell’innesco
del MOSFET parassita che si verifica nei moduli Sintef. Come riportato nel Capitolo
3, l’innesco del MOSFET è dovuto alla piccola carica presente nell’ossido nel caso dei
Sintef; la migrazione di cariche dall’alluminio verso l’ossido porta dapprima alla compensazione della carica positiva dell’ossido, poi richiama lacune mobili dal bulk le quali
portano la superficie del sensore all’inversione e quindi al de-isolamento delle strip p. E’
possibile porre rimedio a tale difetto applicando alcuni volt di contro-tensione positiva
tra l’elettronica del lato p ed il bias ring del medesimo lato in modo da ridurre la differenza di potenziale tra la striscia di alluminio e la strip p ed inibire la migrazione di
cariche negative.
La soluzione del problema non è banalmente replicabile per moduli una volta montati:
sui ladder infatti i moduli, pur avendo in generale diverse tensioni di svuotamento, vengono alimentati allo stesso valore di tensione, unico per tutto un semiladder. I risultati
dei test su ladder hanno pertanto posto il problema della predisposizione di una linea di
alimentazione ad essa dedicata e di conseguenza la necessità di modificare a tal fine la
struttura delle EndCap. In Figura A.1 è rappresentato lo schema di alimentazione dei
moduli a livello di EndCap.
Figura A.1: Schema dell’alimentazione realizzata a livello di EndCap per l’alimentazione di un
modulo SSD. Il rettangolo in viola indica la Supply Card e quindi la struttura in esso contenuta
è ripetuta per ognuno dei 10 ÷ 13 moduli di un semiladder.
L’alimentazione viene portata al sensore tramite due resistori da 270 kΩ, mentre i
due resistori da 27 Ω permettono di agganciare i floating ground dei canali di bassa
tensione alla linea di bias.
L’applicazione, a livello di ladder, della contro-tensione necessaria per risolvere il problema Sintef sarà eseguita a livello di EndCap, come riportato nello schema di Figura A.2.
Rispetto allo schema mostrato in precedenza ed utilizzato per le EndCap dei ladder
non montanti moduli SINTEF, vengono rimosse le due resistenze da 27 Ω da ogni Supply
77
Appendice
A. Moduli Sintef e contro-tensione
Figura A.2: Schema del circuito di alimentazione modificato a livello di EndCap onde poter
applicare la contro-tensione. Da ognuna delle Supply Card sono state eliminate le resistenze da
27 Ω, mentre l’introduzione delle nuove resistenze è realizzata ancora all’interno dell’EndCap ma
una volta sola per tutti i moduli.
Card. L’elettronica del lato n viene messa in corto con la linea di bias, mentre quella del
lato p è agganciata ad essa tramite un resistore da 1 MΩ. Inoltre tra elettronica e la linea
di bias è inserito un alimentatore, per l’applicazione della contro-tensione, in serie ad
una resistenza da 1 MΩ il cui scopo è proteggere l’elettronica di lettura da eventuali alte
correnti circolanti nel circuito di contro-tensione (freccia rossa in Figura A.3), causate
dall’eventuale presenza di pad AC bucate sul lato p del sensore.
Figura A.3: Dettaglio sul circuito di contro-tensione. La presenza di pad AC bucate (rettangolino blu) permette la circolazione nel circuito di contro-tensione di correnti (freccia rossa)
che possono danneggiare l’elettronica di lettura. La presenza di una resistenza di 1 MΩ
in serie all’alimentatore fornente la contro-tensione ha come obiettivo proprio la protezione
dell’elettronica.
Pag. 78
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice B
Test Alimentatori
Riportiamo in queste pagine una parte dell’intero set di risultati ottenuti durante la fase
conclusiva di messa a punto degli alimentatori di alta e bassa tensione per i moduli SSD
di ALICE. I test, sia su singola scheda non collegata al sensore che collegata ad un singolo modulo, sono stati eseguiti presso i laboratori dell’INFN dell’Università di Trieste.
Loro obiettivo è stato determinare la risposta degli alimentatori e la condizione per cui
il loro contributo alle componenti di rumore (common mode in particolare) risulta il
più basso possibile (consentendo quindi un buon rapporto segnale/rumore) in modo da
interferire al minimo con le operazioni di ricostruzione tracce.
Riportiamo dapprima alcune immagini di esempio riferentesi alle misure di ripple eseguite con diversi carichi sia sulle schede A3501 che A3602 tramite una sonda differenziale
LeCroy DA1855A [39] da 1 MΩ di impedenza. Come illustrato nel Capitolo 4, tali misure
hanno permesso di verificare che il valore del ripple si mantiene sempre entro i parametri
richiesti (ossia < 5 mV per le schede A3602 e < 30 mV per le schede a A3501) se si considera solo l’inviluppo principale mentre considerando anche le componenti impulsive, in
alcuni casi, i valori massimi accettati vengono superati.
Figura B.1: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 0 della scheda A3501N in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 60V, carico utilizzato: 237 kΩ. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 12.97 mV.
Figura B.2: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 0 della scheda A3501N in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 8V, carico utilizzato: 237 kΩ. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 31.6 mV.
Figura B.3: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 0 della scheda A3501P in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 60V, carico utilizzato: 237 kΩ . L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 13.1 mV.
79
Appendice
B. Test Alimentatori
Figura B.4: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 0 della scheda A3501P in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 7V, carico utilizzato: 237 kΩ. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 10.3 mV.
Figura B.5: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 2 della scheda A3602 in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 5V, carico utilizzato: 4 Ω. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 4.06 mV.
Figura B.6: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 2 della scheda A3602 in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 5V, carico utilizzato: 4 Ω. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco, incluse le componenti impulsive: 4.92 mV.
Figura B.7: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 2 della scheda A3602 in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 7V, carico utilizzato: 4 Ω. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco: 4.01 mV.
Figura B.8: Ampiezza del ripple, misurato in mV, del canale 2 della scheda A3602 in funzione
del tempo. Tensione di uscita: 7V, carico utilizzato: 4 Ω. L’unità di misura in ascissa è 10
ms/divisione. Rumore picco-picco, incluse le componenti impulsive: 5.01 mV.
Elenchiamo quindi i risultati ottenuti prima delle modiche apportate assieme ai tecnici CAEN. I dati sono riportati in canali arbitrari di ADC (Tabella B.1) Al fine di
effettuare degli studi comparativi sul contributo al common mode sono stati utilizzati
degli alimentatori lineari in alternativa alle schede di alta tensione prima, alle schede di
bassa poi; questo perché gli alimentatori lineari introducono un contributo trascurabile
all’oscillazione di modo comune.
Dai dati riportati in tabella si evince come i prototipi realizzati per gli alimentatori
di alta tensione introducano un contributo all’oscillazione di modo comune molto inferiore rispetto a quello introdotto dalle schede di bassa, le quali quindi necessiteranno del
maggior numero di modifiche. Una prima modifica alla struttura interna della scheda
A3602 è stata eseguita prima di un intervento dei tecnici CAEN ed è consistito nell’eliminazione di tre condensatori i quali accoppiavano capacitivamente i singoli canali verso
un riferimento di massa interno alla scheda; tale accoppiamento infatti non svolgeva
alcuna funzione di filtro ma anzi introduceva un ulteriore contributo al common mode.
La miglior configurazione si è mostrata quella (Figura B.9) in cui si applicano alcuni µF
di filtro tra i poli freddi dei canali alimentanti gli ibridi p ed n.
Diamo, quindi, un breve riassunto dei test e delle modifiche realizzate in collaborazione con i tecnici CAEN ed aventi come obiettivo l’abbattimento del contributo della
scheda di bassa tensione A3602 al rumore di common mode (Tabella B.2).
In Figura B.10 lo schema della disposizione finale dei condensatori di filtro all’interno
della scheda A3602.
Sono state provate quindi diverse altre configurazioni di condensatori ma i risultati
Pag. 80
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice
B. Test Alimentatori
Riassunto misure preliminari di rumore
N◦ Test
Low Voltage
High Voltage
Noise not CM corr. (UA)
Noise CM corr. (UA)
1
A3602
Lineari
Lato P: 180 - Lato N: 250
Lato P: 10 - Lato N: 15
Condensatori
interni tra poli
negativi e terra
per
ciascun
canale. No filtri
esterni.
2
A3602
Lineari
Lato P: 60 - Lato N: 70
Lato P: 5 - Lato N: 6
Condensatori
interni tra poli
negativi e terra
per
ciascun
canale.
2.2 µF
esterni.
3
A3602
Lineari
Lato P: 45 - Lato N: 60
Lato P: 5/6 - Lato N: 7/8
No condensatori
interni tra poli
negativi e terra.
No filtri esterni.
4
A3602
Lineari
Lato P: 15 - Lato N: 20
Lato P: 3 - Lato N: 4
No
condensatori interni
tra poli negativi e terra. 2.2
µF esterni.
5
Lineari
A3501
Lato P: 45 - Lato N: 60
Lato P: 5 - Lato N: 6
1 µF tra polo positivo e negativo.
6
Lineari
A3501
Lato P: 30 - Lato N: 40
Lato P: 4 - Lato N: 5
1 µF tra polo positivo e negativo
+ riferiti tra loro
le uscite GND ed
EARTH.
7
Lineari
A3501
Lato P: 20 - Lato N: 25
Lato P: 3 - Lato N: 5
1 µF tra polo positivo e negativo
+ riferiti tra loro
le uscite GND ed
EARTH + riferito ogni canale al
proprio GND.
8
A3602
A3501
Lato P: 65 - Lato N: 85
Lato P: 7/8 - Lato N: 8/10
No condensatori
interni tra poli
negativi e terra in
A3602. 10 µF esterni tra poli negativi dei canali
di bassa tensione.
1 µF tra i poli
dei canali di alta
tensione.
9
A3602
A3501
Lato P: 50 - Lato N: 65
Lato P: 5/6 - Lato N: 5/6
No condensatori
interni tra poli
negativi e terra in
A3602. 10 µF esterni tra poli negativi dei canali
di bassa tensione.
1µF tra i poli dei
canali di alta tensione. Riferite tra
loro le uscite di
GND ed EARTH.
Note
Tabella B.1: Risultati delle misure preliminari su alimentatori EASY. Sono riportati in colonna
il tipo di alimentatore utilizzato, il valore del rumore non corretto dal common mode, il valore
del rumore corretto, eventuali note sul tipo di configurazione di filtraggio implementata.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 81
Appendice
B. Test Alimentatori
Figura B.9: Schema di alimentazione di un sensore SSD. Il rettangolo viola rappresenta la
scheda di EndCap che redistribuisce le alimentazioni agli ibridi dei moduli. La configurazione
di filtraggio migliore si è ottenuta per mezzo di un condensatore da 2.2 µF posto sulla linea di
bassa tensione tra i floating ground di p ed n. Le linee contrassegnate con la lettera S indicano le
linee di sense il cui compito è misurare la tensione applicata sul carico: in caso quest’ultima non
sia pari a quella richiesta per il funzionamento (a causa della caduta di tensione lungo i cavi), la
scheda alimentatrice regolerà di conseguenza la tensione erogata.
Figura B.10: Disegno raffigurante la configurazione di filtraggio interna alla scheda A3602
che è risultata la migliore in fase di test su singolo modulo. I condensatori sono disposti a
‘triangolo’ ossia collegano tra loro i poli negativi dei tre canali di bassa tensione. Il rettangolo
viola rappresenta la scheda di EndCap che redistribuisce le alimentazioni agli ibridi dei moduli.
migliori si sono ottenuti con quella appena descritta che, pertanto, è stata mantenuta
come definitiva.
Si è quindi proceduto con nuovi test con l’intero sistema EASY (vale a dire misure di
rumore con sia schede A3602 che A3501) in modo da verificare la situazione complessiva
prima di procedere con la produzione in serie degli alimentatori. In Tabella B.3 i risultati
finali.
Pag. 82
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice
B. Test Alimentatori
Test ed interventi migliorativi su scheda A3602
Tipo di modifica
Noise not CM corrected (UA)
Lato P - Lato N
Condizione iniziale
180 - 250
Cambiate induttanze
130 - 180
Tolti i condensatori interni che connettevano
ciascuno dei poli freddi dei tre canali alla earth
50 - 75
Condensatori interni collegati ‘a stella’ sul polo
positivo del canale
130 - 200
Condensatori interni collegati ‘a stella’ sul polo
negativo del canale
50/60 - 80
Condensatori interni collegati ‘a stella’ sul polo negativo
del canale; sconnessa capacità canale EndCap
125 - 185
Tolti tutti i condensatori tra polo freddo ed earth e tolti
i condensatori da 10 uF fra presenti fra circuito primario
e secondario del singolo canale per tutti i canali.
25 - 45
Condensatori montati a triangolo tra i poli
negativi dei canali.
8/10 - 13
Tabella B.2: Tabella riportante i test e le modifiche apportate alla scheda A3602. Nella
colonna di sinistra abbiamo il tipo di modifica mentre in quella di destra il valore del
rumore non corretto dall’oscillazione di modo comune in seguito all’applicazione di tale
modifica.
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 83
Appendice
B. Test Alimentatori
Test conclusivi su singolo modulo
N◦ Test
Low Voltage
High Voltage
Noise not CM corr. (UA)
Noise CM corr. (UA)
Note
1
A3602
Lineari
Lato P: 9 - Lato N: 13
Lato P: 3 - Lato N: 4
No filtri esterni
2
A3602
Lineari
Lato P: 6 - Lato N: 8
Lato P: 2.5 - Lato N: 3
2.2µF tra polo positivo e
negativo
3
A3602
A3501
Lato P: 35 - Lato 50: 8
-
No filtri esterno, chassy a
massa.
4
A3602
A3501
Lato P: 12 - Lato N: 17
Lato P: 2.5 - Lato N: 3.5
2.2µF
tra
polo positivo
e
negativo
(nel
patch
panel
delle
HV), chassy a
massa, noise
frastagliato.
5
A3602
A3501
Lato P: 7 - Lato N: 12
Lato P: 2.5 - Lato N: 3.5
2.2µF
tra
polo positivo
e
negativo
(nel
patch
panel
delle
HV), chassy
floating, noise
piatto.
Tabella B.3: Risultati finali dei test su singolo modulo. Sono riportati in colonna nell’ordine: n◦ di test, tipo di scheda di bassa tensione, tipo di sheda di alta tensione, rumore
non corretto dall’oscillazione di modo comune, rumore corretto dall’oscillazione di modo
comune, descrizione delle configurazioni di filtraggio utilizzate.
Pag. 84
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice C
Test Alimentatori su ladder
Riportiamo in queste pagine tutti i test da noi eseguiti presso l’Università di Utrecht e
concernenti la fase conclusiva dello sviluppo del sistema di alimentazione EASY, ossia
i test su ladder con elettronica finale. I test si intendono eseguiti nella configurazione
migliore di filtraggio, ossia, come già illustrato sia nel Capitolo 4 sia in Appendice B,
in assenza di alcun condensatore di filtro nè tra le linee di uscita interne alla schede
A3602 nè esternamente in corrispondenza del carico. Ciò si deve al fatto che i moduli di
EndCap sono già dotati di condensatori la cui azione filtrante è già sufficiente ai fini della
minimizzazione del common mode. Indicheremo con S/N (Serial Number) 21 e S/N 22
le due schede A3602 di cui disponevamo nei test. Nelle tabelle qui presenti, riporteremo:
scheda di bassa tensione (LV) alimentante il lato V del ladder, scheda di bassa tensione
alimentante il lato Q, scheda di alta tensione (HV), tensione di svuotamento dei due
semi-ladder, valore di rumore non corretto dal CM (in canali di ADC) misurato modulo
per modulo, sia per il alto p che per il lato n, sui due semi-ladder.
Ladder 535 totalmente alimentato - su tavolo, misura con 500 eventi
LV-Side V
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
Side Q:
P-N
A3602 (S/N 22)
A3602 (S/N 21)
A3501
45 V - 66 V
ADC 0:
14-12
ADC 2:
7-/
ADC 8:
12-13
ADC 3:
13-/
ADC 12:
12-9
ADC 4:
18-12
ADC
letti
ADC 5:
15-12
ADC 8:
17-12
ADC 9:
7-11
ADC 10:
18-13
ADC 11:
15-12
ADC 12:
8-13
ADC 13:
13-11
altri
non
85
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Ladder 535 totalmente alimentato - su tavolo, misura con 1000 eventi
LV-Side V
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
Side Q:
P-N
A3602 (S/N 21)
A3602 (S/N 22)
A3501
45 V - 66 V
ADC 0:
9-12
ADC 1:
8-10
ADC 2:
48-15
ADC 2:
10-10
ADC 3:
/-11
ADC 3:
15-17
ADC 4:
9-11
ADC 4:
9-12
ADC 5:
9-9
ADC 5:
10-15
ADC 8:
9.5-11
ADC 8:
10-13
ADC 9:
8.5-11
ADC 9:
8-8
ADC 10:
rotto
ADC 10:
10-15
ADC 11:
8.5-12
ADC 11:
10-11
ADC 12:
8.5-8,5
ADC 12:
10-10
ADC 13:
8-7.5
ADC 13:
9-10
Ladder 535, alimentato solo lato Q
LV-Side V
Pag. 86
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
A3602 (S/N 22)
A3501
45 V - 66 V
Side V:
P-N
Side Q:
P-N
ADC 2:
10-10
ADC 3:
15-18
ADC 4:
9-12
ADC 5:
10-15
ADC 8:
10-14
ADC 9:
8,5-9
ADC 10:
10-12
ADC 11:
10-12
ADC 12:
10-11
ADC 13:
9.5-10
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Ladder 535, alimentato solo lato V
LV-Side V
LV-Side Q
A3602 (S/N 21)
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
A3501
45 V - 66 V
ADC 0:
10-12
ADC 1:
9-10
ADC 2:
48-15
ADC 3:
/-11
ADC 4:
10-11
ADC 5:
10-10
ADC 8:
9.5-12
ADC 9:
9-11
ADC 10:
rotto
ADC 11:
9.5-12
ADC 12:
9-9
ADC 13:
10-8
Side Q:
P-N
Ladder 513 totalmente alimentato - su cono
LV-Side V
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
Side Q:
P-N
A3602 (S/N 21)
A3602 (S/N 22)
A3501
39 V - 35 V
ADC 0:
7-6
ADC 1:
6-6
ADC 2:
7-9.5
ADC 2:
8-/
ADC 3:
9-12
ADC 3:
10-/
ADC 4:
6-6.5
ADC 4:
6-9
ADC 5:
6-9
ADC 5:
14-10
ADC 8:
6-6
ADC 8:
6-9
ADC 9:
7-12
ADC 9:
13-10
ADC 10:
7-7
ADC 10:
6-10
ADC 11:
7-6
ADC 11:
6-9
ADC 12:
6-6.5
ADC 12:
6-9
ADC 13:
6.5-5.5
ADC 13:
6-9
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 87
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Ladder 513, alimentato solo lato V - su cono
LV-Side V
LV-Side Q
A3602 (S/N 21)
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
A3501
39 V - 35 V
ADC 0:
12-7
ADC 1:
10-7
ADC 2:
13-11
ADC 3:
13-13
ADC 4:
7-8
ADC 5:
9-9
ADC 8:
7-6
ADC 9:
17-13.5
ADC 10:
19-16
ADC 11:
18-7
ADC 12:
18-7
ADC 13:
10-8
Side Q:
P-N
Ladder 513, alimentato solo lato V - su cono. Alimentati anche i
semi-ladder V646 e V659 (su layer 6) ad esso adiacenti
LV-Side V
A3602 (S/N 21)
Pag. 88
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
Side V:
P-N
A3501
39 V - 35 V
ADC 0:
10-7
ADC 1:
8-7
ADC 2:
9-10
ADC 3:
11-13
ADC 4:
7-7
ADC 5:
8-9
ADC 8:
7-6
ADC 9:
12-13
ADC 10:
12-7
ADC 11:
12-7
ADC 12:
11-7
ADC 13:
8-6
Side Q:
P-N
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Semi-ladder 646 e 659 (adiacenti) alimentati - su cono
LV-Side V 646
LV-Side V 659
HV
Depletion
A3602 (S/N 21)
A3602 (S/N 22)
A3501
39 V - 35 V
Side V 646:
P-N
Side V 659:
ADC 0:
10-8
non
ADC 1:
10-9
ADC 2:
8-5.5
ADC 3:
9-7
ADC 4:
12-6
ADC 5:
10-5
ADC 8:
8-5
ADC 9:
10-5.5
ADC 10:
10-5.5
ADC 11:
8-5.5
ADC 12:
8-5
ADC 13:
9-5
P-N
letto
Semi-ladder 646 alimentato - su cono
LV-Side V 646
A3602 (S/N 21)
LV-Side V 659
HV
Depletion
A3501
39 V - 35 V
Side V 646:
P-N
ADC 0:
10-7,5
ADC 1:
10-8
ADC 2:
10-5.5
ADC 3:
9-6.5
ADC 4:
11.5-5.5
ADC 5:
10-5
ADC 8:
9-5
ADC 9:
10-5.5
ADC 10:
10-5.5
ADC 11:
8-5
ADC 12:
9-5.5
ADC 13:
10-5.5
Side V 659:
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
P-N
Pag. 89
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Semi-ladder 641 alimentato completamente - su cono
LV-Side V
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
A3602 (S/N 22)
A3602 (S/N 21)
A3501
66 V - 60 V
Side V:
non
P-N
Side Q:
P-N
letto
ADC 0:
9-10
ADC 1:
8-10
ADC 2:
6-8
ADC 3:
7.5-8.5
ADC 4:
6-8
ADC 5:
8-7
ADC 8:
4.5-8
ADC 9:
5-7
ADC 10:
6-8
ADC 11:
5-8
ADC 12:
5-8
ADC 13:
7-7.5
Semi-ladder 641 alimentato solo lato Q - su cono
LV-Side V
Pag. 90
LV-Side Q
HV
Depletion V-Q
A3602 (S/N 21)
A3501
66 V - 60 V
Side V:
P-N
Side Q:
P-N
ADC 0:
9-10
ADC 1:
9-10.5
ADC 2:
5-8
ADC 3:
7-8.5
ADC 4:
5-7
ADC 5:
6-7
ADC 8:
4.5-8
ADC 9:
4-7.5
ADC 10:
4.5-7.5
ADC 11:
4.5-7
ADC 12:
4.5-8.5
ADC 13:
6-7.5
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Abbiamo, infine, eseguito un test alimentando due semi-ladder in parallelo con la
stessa scheda di bassa tensione, al fine di verificarne la fattibilità, in caso di esigenze
future richiedano test sui ladder ma non sia ancora disponibile un numero sufficiente di
alimentatori.
Valori di bassa tensione impostati:
• EndCap: 4,000 V
• Ibrido P: 3,800 V
• Ibrido N: 3,800 V
Valori di tensione misurati al connettore di uscita della scheda A3602:
• EndCap: 4,165 V
• Ibrido P: 4,615 V
• Ibrido N: 4,715 V
Valori di corrente assorbita dall’elettronica:
• EndCap: 0,25 A
• Ibrido P: 3,14 A
• Ibrido N: 3,14 A
Ladder 601 lato V, Ladder 535 lato Q - entrambi su tavolo, alimentati in
parallelo
LV-Side V 601
LV-Side Q 535
HV
A3602 (S/N 21)
A3602 (S/N 21)
A3501
Depletion
Side V 601:
P-N
Side Q 535:
P-N
ADC 0:
5-7,5
ADC 1:
5,5-8
ADC 2:
3-8
ADC 2:
5-17
ADC 3:
4-8
ADC 3:
7.5-25
ADC 4:
3-7,5
ADC 4:
5-25
ADC 5:
3,5-8
ADC 5:
5-25
ADC 8:
4-8
ADC 8:
5,5-20
ADC 9:
3,5-8
ADC 9:
5-13
ADC 10:
/-7
ADC 10:
6-25
ADC 11:
3-8
ADC 11:
6-23
ADC 12:
4-8
ADC 12:
6-20
ADC 13:
3,5-7,5
ADC 13:
5-16
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 91
Appendice
C. Test Alimentatori su ladder
Ladder 601 lato V, Ladder 535 lato Q - entrambi su tavolo, alimentati di
nuovo separatamente
LV-Side V 601
LV-Side Q 535
HV
A3602 (S/N 21)
A3602 (S/N 22)
A3501
Pag. 92
Depletion
Side V 601:
P-N
Side Q 535:
P-N
ADC 0:
7-11
ADC 1:
8-12
ADC 2:
4-10
ADC 2:
9-20
ADC 3:
5-10
ADC 3:
13-25
ADC 4:
5-9
ADC 4:
8-27
ADC 5:
4-10
ADC 5:
9-30
ADC 8:
5-10
ADC 8:
9-28
ADC 9:
4,5-10
ADC 9:
7,5-15
ADC 10:
/-9
ADC 10:
8,5-30
ADC 11:
4,5-10
ADC 11:
8-27
ADC 12:
5-10
ADC 12:
8,5-18
ADC 13:
5-10
ADC 13:
7-24
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Bibliografia
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Information Manual, Revision 0, 17 October 2006
Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE
Pag. 95
Ringraziamenti
Un enorme ringraziamento a:
• Paolo Camerini per l’aiuto, il sostegno, l’esperienza e l’amicizia dimostrata
• Giacomo-Vito Margagliotti per avermi permesso di entrare in quell’ottava meraviglia del mondo chiamata CERN
• Marco Bregant per le preziose discussioni che hanno reso questo lavoro quello che
è
• Luciano Bosisio per la disponibilità che mi ha dimostrato e per le spiegazioni
sempre puntuali ed esaurienti
• tutti i membri del Gruppo III
• Luca Piazza per la preziosissime consulenze su LateX
• Mino e Sasha per le indimenticabili giornate passate in Camera Pulita
• la mia famiglia senza la quale tutto questo non sarebbe mai stato possibile
• i miei compagni di appartamento Andrea, Giorgio ed Arianna che mi hanno sempre
sopportato in questi mesi di isteria
• i ‘muloni’ perché quando hai voglia di fare una pausa dal lavoro nessuno come loro
sa liberarti la mente dalla fisica
97

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