Il tracciatore

Ognuna delle 16 torri del tracciatore contiene 19 moduli (tray), la cui struttura portante è composta da un vassoio in fibra di carbonio con nucleo di alluminio a nido d’ape a bassissima densità (48 o 16 kg/m3 a seconda del carico a cui è sottoposto il tray); un tray è spesso circa 3 cm ed è realizzato quasi esclusivamente in carbonio per renderlo il più possibile trasparente alla radiazione, riducendo quindi la possibilità di conversioni indesiderate (lontane cioè dai piani di rivelazione) all’interno del materiale di supporto del tracciatore.

La componente sensibile del tracker è formata da piani di micro-strisce al silicio a faccia singola, posizionati sulle facce opposte di ogni tray con le strisce disposte paralle- lamente. Le strisce di due tray successivi (distanti solo 2 mm) sono disposte ad un angolo di 90◦ fra di loro, creando quindi 18 piani di rivelazione xy successivi (il primo e ultimo vassoio hanno le micro-strisce di silicio su di una sola faccia).

In totale una torre è alta 66 cm e larga 37,6 cm: la larghezza della torre è determinata dalla lunghezza massima che può avere una micro-striscia di silicio senza un eccessivo aumen- to della rumorosità (la rumorosità tipica di una striscia, misurata come la probabilità di avere un hit da rumore durante una finestra di lettura, è di 5 · 10−7), mentre l’altezza è ot- timizzata per campionare la traccia in punti ragionevolmente distanti fra loro mantenendo però un rapporto base/altezza tale da garantire al LAT un ampio campo di vista.

I piani di micro-strisce sono realizzati a partire da wafer di 6 pollici da cui si ottengono sensori di dimensione 8,95 x 8,95 cm2, con una zona inattiva al bordo spessa circa 1mm.Il modulo base, chiamato ladders, è ottenuto incollando di testa 4 sensori e microsaldando le strisce di un sensore a quelle del successivo, per ottenere strisce di ∼ 37 cm di lunghezza. 4 ladders affiancati compongono un piano di rivelazione, la cui superficie sensibile è pari al 95,5% della superficie totale del piano.

Le micro-strisce sono larghe 56µm e distano fra di loro 228µm. Questo passo è stato scelto per avere una buona risoluzione spaziale compatibilmente con la dispersione dovuta allo scattering coulombiano all’interno del materiale dei tray e mantenere basso il consumo elettrico totale; ogni piano è composto da 1536 strisce, per un totale di circa 885000 micro-strisce e un consumo complessivo di 150 W.

L’utilizzo di rivelatori al silicio ha permesso di ottenere prestazioni estremamente su- periori a quelle finora ottenuto in questo tipo di missioni con strumenti come la camera a scintillazione: le micro-strisce uniscono infatti all’alta efficienza nella rivelazione di particelle cariche (99,4 %) un bassissimo tempo morto (decine di µs invece che decine di ms); questa caratteristica permette di acquisire eventi ad un rate molto alto, permettendo quindi di effettuare la selezione degli eventi gamma tramite successiva analisi degli eventi invece di utilizzare un sistema di veto che agisca a priori bloccando la lettura del traccia- tore.

3 – L’osservatorio per raggi gamma Fermi

(400 µm) di realizzare un tracciatore il cui rapporto base/altezza permette un campo di vista molto alto (più di 2 srad); infine, non avendo componenti consumabili come il gas della camera a scintillazione, garantiscono una vita utile dello strumento estremamente elevata, oltre a non richiedere l’ingombro del meccanismo di ricambio del gas.

All’interno del tracciatore deve essere presente un materiale ad alto Z che faciliti la conversione del fotone in coppie e+e−, aumentando l’efficienza dello strumento: nel caso del LAT è stato scelto il Tungsteno (W), posizionato immediatamente sopra il piano infe- riore di strisce di ogni tray. In questa configurazione si riduce al minimo la degradazione della traccia a causa dello scattering coulombiano prima del passaggio attraverso il primo piano di rivelazione.

Poicé lo scattering multiplo causa un peggioramento della risoluzione angolare dello stru- mento, particolarmente a basse energie (dipende dall’energia come 1/E), per ottenere un buon equilibrio fra risoluzione spaziale a basse energie e area efficace necessaria per la rilevazione dei bassi flussi ad alte energie, sono stati scelti due diversi spessori del mate- riale di conversione, che è stato suddiviso fra i vari piani di rivelazione.

I 19 tray sono divisi in due sezioni, ’front’ e ’back’ , con caratteristiche diverse: i primi 12 tray costituiscono la sezione front, in cui si è voluto privilegiare la precisione nella ri- costruzione della traccia, utilizzando per ogni tray uno spessore di Tungsteno pari a 0,027 lunghezze di radiazione (X0), mentre nella sezione back si è puntato sull’aumento dell’a-

rea efficace, con i primi 4 piani aventi 0,18 X0di Tungsteno ciascuno, mentre gli ultimi 2

piani sono privi del foglio di conversione, poiché per il trigger di un evento è richiesto un segnale in almeno tre piani successivi (Sez. 3.2.4).

In totale, il tracciatore presenta uno spessore in Tungsteno di 1,08 X0, con un’efficienza

nella conversione di fotoni sopra il GeV di circa il 63% per γ incidenti normalmente; lo spessore totale è di circa 1,5 X0.

L’elettronica di lettura di ogni torre è disposta sul fianco, a 90◦ rispetto alle micro- strisce di silicio, con un ingombro estremamente ridotto che comporta uno spazio morto fra le torri di soli 17,9 mm, permettendo al LAT di avere una superficie sensibile pari all’ 89,4% della superficie totale; la lettura dei dati è effettuata utilizzando due tipi di Application Specific Integrated Circuits, un amplificatore-discriminatore a 64 canali e un readout digital controller. Ad ogni trigger viene memorizzato l’indirizzo delle sole strisce (fino a 64) risultate sopra soglia (zero suppression, permette un notevole risparmio nel flusso di dati) e il Time Over Threshold (TOT), il tempo massimo impiegato dal segnale delle strisce a tornare sotto la soglia di trigger, parametro questo ricollegato all’energia depositata nella striscia; il sistema di lettura inoltre calcola l’OR logico fra le strisce di un piano, utilizzato per generare le primitive di trigger quando il segnale di una qualunque striscia del piano supera la soglia dit rigger; le strisce eccessivamente rumorose possono essere soppresse tramite comando remoto sia dalla generazione delle primitive di trigger sia dalla lettura degli eventi.

Ogni piano del tracker ha un doppio sistema di lettura, uno per ogni lato delle micro- strisce del piano, mentre i chip possono essere ripartiti fra i vari percorsi tramite comando

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Figura 3.9. Un vassoio del tracciatore con evidenziate le varie parti, ovvero: la struttura portante in carbonio con interno in alluminio a nido d’ape e i due moduli di lettura dati, i fogli di bias in kapton e i piani di rivelatori in silicio.

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remoto, così da ridurre l’impatto della rottura di un cavo o di uno dei 24 chip alla perdita di soli 64 canali sui 1536 del piano.[4],[45]