Elettronica di Front-End per il rivelatore di Fluorescenza dell esperimento Auger

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Elettronica di Front-End per il rivelatore di

Fluorescenza

dell’esperimento Auger

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PROGETTO AUGER

Si propone di aumentare la scarsa statistica esistente sui raggi cosmici di altissima

energia :

E > 10 ¹⁹ eV

• Spettro di energia

• Loro direzione di provenienza

• La composizione del primario

Tecnica ibrida di rivelazione

(per aumentare la precisione delle misura):

- Fluorescenza in atmosfera

- Čerenkov in superficie

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SPETTRO DEI RAGGI COSMICI

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SVILUPPO DELLO SCIAME IN ATMOSFERA

Profilo longitudinale

Æ Evento ~ 10

²⁰

eV

2 Osservatori di ~ 3000 km

²

Emisfero : Nord (Utah, USA) + Sud (Mendoza, Argentina)

> 3 Rivelatori di Fluorescenza (FD) per Sito

(1 FD = 12 Telescopi Æ 1 Teles. = 20 x 22 PMT)

~ 1596 Rivelatori di Superficie per Sito (spaziati di 1,5 km)

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Struttura di un TELESCOPIO

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Forma del segnale rivelato dai PMT

(

⁽ ⁾

)

R

c ) ( R T

) N (

, )

S(   ⋅ ∆ µ ρ

^ξ ^⋅ ^θ





 





⋅ π

θ

⋅ ⋅

=

₂ ^pw ^sin

p 2

e ⁰

p

e 4 s

sin 4 A

2 pe

2 ÷ 1,31∙10⁵pe ÆÆÆ 3,2 pA ÷210 nAÆ 2,7 ÷ 81 pe ÆÆÆÆ 4,3 ÷ 81 pA (noise)

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Polarizzazione del PMT - Obiettivi -

• Mantenere costante il guadagno del PMT al variare :

- luminosità di fondo del cielo (fattore 30), - ampiezza dell’impulso rivelato (range

dinamico di 16 Bit).

• Ridurre la dissipazione di potenza nella rete di polarizzazione.

• Ridurre il deposito elettrostatico

di polvere, sul fotocatodo.

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Rete di polarizzazione Attiva

Rete di polarizzazione Passiva

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Acti ve B ias Network

(10)

Passive Bias Net w ork

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Variazione del guadagno (%) in

funzione della corrente di anodo

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Risultati ottenuti

BASE ATTIVA :

∆∆∆∆G < 2% …(@ Ia = 20 µµµµA) potenza dissipata 131mW

BASE PASSIVA :

∆∆∆∆G ~ 13,5 % …(@ Ia = 20 µµµµA) potenza dissipata 248mW

Rumore per basi Attiva/Passiva : identico (entro 2%)

Guadagno del PMT :

50∙10 ³ Æ Æ Æ Æ ~ 20 anni (tempo di vita)

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Misura della corrente di Anodo Current Monitor

- SCOPI -

- Allineamento in tempo reale dei telescopi, - Monitoraggio della attenuazione luminosa

nell’atmosfera,

- Controllo, sulla presenza di sorgenti di rumore coerente,

- Attivazione di soglie di allarme,

- Statistica su funzionamento dei PMT e loro deterioramento dovuto alla carica

accumulata all’anodo, durante l’intero

ciclo di utilizzo (~ 20 anni),

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Principio di funzionamento del CURRENT MONITOR

Misura diretta della corrente di Anodo, per differenza tra quella circolante nella

ultima resistenza del partitore e quella

dell’intera rete di polarizzazione

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Principio di funzionamento dello specchio di corrente

(OCM)

) I (I )

( K )

I (I

V

_o _TH ₃

R

_eq _TH

1 R ⋅ 1 ≈ −

⋅

−

=

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Caratteristica I/O dell’OCM

-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

0 100 200 300 400

I

_in

[ µµµµA]

I

out

[µµµµ

A]

30.13°C

40.51.°C 50.39°C 10.38°C 0,0°C -10.38°C Fit30º

FIT Parameters @ 30º C:

Slope: 0.742 ± 0.001

Intercept: -57.7± 0.3

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Sistema di test-termico

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Misura della corrente di Anodo mediante il Current Monitor

0 2 4 6 8 10 12

0 10 20 30 40 50

I _anode [ µµµµA]

V out [V ]

Up Down Up

Linear (Up) y = 0,2137x + 0,0317

Sensibilità S = 214 mV/ µµµµA ……(f.s.=50 µµµµA)

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Trasmissione del segnale rivelato – OBIETTIVI -

• Minimizzare il rumore di modo comune

• Massimizzare la banda per il segnale rivelato

• Mantenere il range dinamico

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Risultati ottenuti

Rete di prelievo del segnale rivelato BW : 1kHz ÷ 12MHz,

Line Driver : MAX4147 …… (90dB CMMR@1MHz)

Rumore : 9 nV/√Hz @f >3kHz ,

(incrementa dell’ 11% quello del fondo del cielo ~18nV/√Hz)

Range dinamico : 14 Bit,

CMMR : 28 dB @ 1÷100 kHz

Tensione di modo comune : 1,9 V, Impedenza d’uscita : 10 ohm.

Introduzione di un circuito d’iniezione di un segnale di test : 10 mA (@ 5 Vpp impulso negativo)

Trasmissione contemporanea dell’impulso rivelato dal PMT e

della misura della corrente media d’anodo : 1,9 ÷ 0,4 V

_{diff_out}

.

(21)

Curren t M onit or & Line d river

(22)

Realizzazione PCB

(23)

Vista della connessione tra

PMT e PCB

(24)

Elettronica di Front-End Test di accettazione per 150 unità di HE

Collaudo e calibrazione mediante un

(25)

Risultati dei test di accettazione

Driver's output offset voltage

55

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

Vdiffout (mV)

Supply Current Dispersion

37

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 50 100 150 200

PCB number

Supply current (mA)

I supply + I supply - I+ = 33.6 ± 2.0

I- = 11.0 ± .44

(26)

Risultati dei test di accettazione

Determining R18 as a function of K'3

0 100 200 300 400 500 600

0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96

K'3 R18 [KΩΩΩΩ]

R18 Calc R18 Insert

I th

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

0 50 100 150 200

PCB number

I th

(µµµµ

A)

I th = 1.19 ± 0.23

(27)

Risultati dei test di accettazione

(28)

SPECIFICHE GENERALI per l’elettronica di FRONT-END (HE), ricavate dai dati di collaudo.

Specifiche generali:

Alimentazione a bassa tensione +6 V Æ 39 mA -6 V Æ 11 mA Alimentazione ad Alta Tensione 915 V Æ 144 µA Dissipazione totale di potenza 427 mW

Line Driver:

Uscita Differenziale

Resistenza totale d’uscita 10 Ω

Tensione di modo comune 1,9 V @ Ia = 0 µA

Sensibilità 500 mV /µA

Massimo segnale di corrente 10 mA

Banda passante 1 kHz – 12 MHz

Densità spettrale del rumore bianco 9 nV / √(Hz) @ f > 3 kHz Rapporto di reiezione di modo comune 28 dB tra 1 – 100 kHz Current Monitor:

Sensibilità 60,6 mV /µA

Variazione nella misura di corrente 0 – 25 µA

Variazione nella misura di tensione 1,91 V @ Ia = 0 µA 0,4 V @ Ia = 25 µA

Banda passante 10 Hz

Rumore riferito alla correte continua d’anodo

80 pA Risoluzione del convertitore a 16 bit Σ-∆ 500 pA

Test pulse:

Ampiezza massima 10 mA (@5 V_ppimpulso negativo esterno)

PMT Bias Network:

Tipo di partitore Attivo

Corrente assorbita dalla rete 144 µA @ 900 V

Variazione di Guadagno Non misurabile per Ia ≤ 10 µA 2 % @ Ia = 20 µA

5 % @ Ia = 30 µA Massima Tensione di alimentazione e 1500 V (testato !)

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CONCLUSIONI

Base Attiva Æ minore consumo (131 mW) & migliore stabilità di guadagno ( ∆∆∆∆G < 2 % @ 20 µµµµA ).

Current Monitor Æ misura complementare della corrente d’anodo (0 ÷ 25 µµµµA, BW 10 Hz )

Line driver Æ Uscita differenziale per il segnale rivelato (BW 1 kHz ÷ 12MHz, 28 dB CMMR, rumore 9 nV/√Hz

@ f > 3 kHz) & modo comune per la misura della corrente media d’anodo (1,9 ÷ 0,4 V

_diff-out

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