Studio della dipendenza dalla temperatura delle prestazioni del tracciatore a silicio di GLAST

1. Studio della dipendenza dalla temperatura delle prestazioni del tracciatore a silicio di GLAST Relatori: Prof. P. Spinelli Dott. F. Loparco Laureanda: Claudia Monte 19 Maggio2005

2. Sommario: • Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici • Esperimento GLAST: la strumentazione • Il rivelatore a silicio di GLAST • Analisi delle sorgenti di rumore elettronico • I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT • Presentazione dei risultati sperimentali

3. Esperimento GLAST: gli obiettivi scientifici • Definizione di una mappa del cielo gamma più completa rispetto a quella di EGRET, con lo scopo di identificare sorgenti localizzate e di studiare l’emissione diffusa. • Comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento di particolari corpi celesti, come AGN, Blazar, Pulsar, SNR e stelle binarie. • Studio del comportamento dei Gamma-Ray Burst per stabilirne l’origine. • Analisi spettrale dei fotoni rivelati al fine di identificare eventuali fotoni prodotti da annichilazione di materia oscura. • Osservazione e studio dei “solar flares”.

4. Esperimento GLAST: la strumentazione GLAST Gamma-ray Large Area Space Telescope LAT (Large Area Telescope) Range energetico: 20 MeV÷300 GeV (Messa in orbita: Ottobre 2007) (Presa datI: minimo 5 anni) GBM (Glast Burst Monitor) Studio dei GRB nel range energetico: 1keV-30 MeV

5. Principio di funzionamento del LAT Produzione di coppie: e+ e- Tracciatore(TKR): 36 piani di rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD) alternati a fogli convertitori di tungsteno per convertire i  in coppie e+ e-. Calorimetro (CAL): 96 barre di cristalli di CsI drogato con Tl per la misura dell’energia associata alle coppie e+ e-prodotte. Rivelatore di anticoincidenza (ACD): schermo di 145 barre di scintillatori plastici segmentati per il rigetto dei raggi cosmici carichi.

6. Tracciatore Struttura del LAT Struttura modulare: Matrice 4x4 di torri identiche Grid Calorimetro DAQ Elettronica Sistema di anticoincidenza (ACD)

7. Struttura del TKR Top: unico tray privo dello strato superiore di SSD • Ciascuna torre del TKR è costituita da 19 moduli (tray) Standard: 11 tray, di spessore pari a 0.03 X0 con strato convertitore spesso 105 mm Super-Glast: 4 tray , di spessore pari a 0.18 X0 con strato convertitore spesso 630 mm Standard senza convertitore: 2 tray Bottom: unico tray privo dello strato inferiore di SSD Il tray ha uno spessore di 3 cm: è costituito da un pannello a nido d’ape in alluminio inserito tra due fogli sottili in fibra di carbonio 4 cornici in carbon-carbon lungo i lati

8. I rivelatori a silicio di GLAST Wafer di silicio Ladder Piano di SSD 4 file di ladder matrice 4x4 wafer 1536 strip per piano

9. Zf Zfs Cc gm gms Zd Vout I Detector Preamplificatore Shaper L’elettronica di front-end DISCRIMINATORE

10. Studio della dipendenza del noise dalla temperatura Motivazioni Una eventuale dipendenza del noise dalla temperatura comporterebbe diversi valori di noise nei differenti piani della torre In fase di volo tra i diversi piani delle torri esisterà un gradiente di temperatura Ciò ha importanti conseguenze nella scelta del valore di soglia dei discriminatori associati a ciascun canale di lettura degli SSD

11. Analisi delle sorgenti di noise Corrente di buio (o corrente di “leakage”) SHOT NOISE Noise associato alla resistenza di bias NOISE TERMICO Sorgenti di noise Noise associato alla resistenza di feedback NOISE TERMICO Noise dell’amplificatore Associato NOISE TERMICO + NOISE1/f

12. Zf inf Vna + - ind Zd inb V preampl. Circuito equivalente di noise Tensione di rumore

13. I risultati della simulazione

14. I test di termo-vuoto sulla torre 2 del LAT IGS TOWER Grid Ring TEM Tower Stand Cold Plate Cicli termici

15. TrckerGTRCConfiguration Test di verifica delle operazioni di trasmissione dati dai 64 chip dell’elettronica di lettura delle 1536 strip di ogni piano di SSD alla TEM TkrGTFECheck Test di verifica sul corretto funzionamento della configurazione di lettura di ciascun layer TkrReadingConfigurationTest Test effettuati Test effettuato allo scopo di trovare eventuali canali disconnessi misurando il guadagno ed il noise di ciascun canale TkrNoiseAndGain TkrNoiseOccupancy Test con lo scopo di cercare eventuali canali rumorosi Test di Calibrazione del TOT (Time Over Threshold) TkrTotTest

16. Presentazione dei risultati sperimentali Misure di guadagno e di noise V1 V2

17. Distribuzione di guadagno e noise sulle strip Per il guadagno si osserva un andamento discontinuo con fluttuazioni tra i diversi chip di lettura (GTFE) Per il noise, le fluttuazioni sono di entità minore

18. Distribuzione di guadagno e di noise sull’intera torre Guadagno medio: ≈ 100 mV/fC Fluttuazioni attorno alla media: ≈ ±10% Noise medio: ≈ 1500 ENC Fluttuazioni attorno alla media: ≈ ±13%

19. Studio dell’andamento della temperatura, del guadagno e del noise in funzione del tempo per i 35 run analizzati Si osserva una correlazione

20. Studio del guadagno in funzione della temperatura In un intervallo di temperatura di ~60 K il guadagno varia di circa 5mV/fC, che corrisponde ad una variazione dello 0.1% per grado. E’ lecito trascurare la variazione del guadagno in funzione della temperatura ed assumere un guadagno medio dell’ordine del centinaio di mV/fC costante con la temperatura.

21. Studio del noise in funzione della temperatura Dati sperimentali Esiste una dipendenza del noise dalla temperatura

22. Barre di errore sulla temperatura fino a 10 gradinelle fasi transienti

23. Andamento del noise medio in funzione della temperatura per i piani superiori ed inferiori della torre

24. Conclusioni • Il guadagno dipende debolmente dalla temperatura con una variazione dello 0.1 % per grado Kelvin Si può assumere un guadagno costante al variare della temperatura approssimabile con un valore di ~ 100 mV/fC • Le fluttuazioni del noise sono dell’ordine del 10%su un intervallo di temperatura di 60 K • Il noise mostra una dipendenza dalla temperatura in accordo con il modello teorico utilizzato per descrivere l’elettronica di lettura degli SSD del LAT