STUDIO PER PREAMPLIFICATORE PER SIPM ACCOPPIATO IN DC

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Michela Salvatore
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1 AGE Scientific s.r.l. Via del Commercio, 10 Zona industriale Le Bocchette Capezzano Pianore (LU) Italy Tel. / Fax info@agescientific.com WEB: STUDIO PER PREAMPLIFICATORE PER SIPM ACCOPPIATO IN DC INTRODUZIONE Si descrive il progetto ed il prototipo di un preamplificatore accoppiato in DC per segnali di SIPM. Lo scopo del progetto è di effettuare l integrazione della carica dei segnali con sistemi di acquisizione digitali. Per tale scopo occorre accoppiare in continua tutta la catena di amplificazione ed ottenere una dinamica sufficiente a convertire i segnali dei SIPM senza effetti di saturazione. L operazione di integrazione può essere utilizzata in tempi diversi per acquisire il valore della dark-current e per acquisire il segnale con SIPM illuminato. DESCRIZIONE DEL CIRCUITO Il circuito si compone di due stadi: un amplificatore a transimpedenza ed uno stadio di guadagno. Per la realizzazione di entrambi gli stadi è stato utilizzato un amplificatore operazionale ad alta velocità, probabilmente il più performante in commercio al giorno d oggi. Lo schema è illustrato nella figura seguente: HV DETECTOR +5V Gli operazionali sono alimentati con tensione di +5V e -5V. Il SIPM deve essere utilizzato con l uscita in corrente verso massa. In questo modo il primo amplificatore lavora a transimpedenza, il secondo realizza un guadagno. I diodi Schottky sull ingresso sono una protezione che potrebbe essere tolta. Nello stadio di guadagno la resistenza fra ingresso invertente ed alimentazione positiva serve per dare un bias all uscita in modo che il segnale non sia mai positivo. Questo per poter usare un convertitore A/D con range di ingresso ad esempio 0-2V. PROTOTIPO Per le prime prove è stato realizzato un prototipo del circuito con un layout su breadboard. Il prototipo è illustrato nella foto seguente. 1

La luce di scintillazione è stata raccolta con fibre ottiche e convogliata alla superficie sensibile dei SIPM.

2 Questo prototipo è stato utilizzato in un set-up per una sessione di prove. SET-UP DI TEST Il set-up di test ha impiegato due SIPM di produzione Advansid montati su due pale di scintillatore di qualità e lunghezze diverse eccitati dai cosmici. La luce di scintillazione è stata raccolta con fibre ottiche e convogliata alla superficie sensibile dei SIPM. Sono stati raccolti impulsi di luce provenienti dalla radiazione cosmica interagente con gli scintillatori. Lo schema del set-up è illustrato nella figura seguente: HV DIGITAL SCOPE CH1 50 Ohm CH2 50 Ohm PASSIVE SPLITTER 50 Ohm PREAMPLIFIER DETECTOR Foto del set-up: Nella foto sono visibili gli scintillatori con i SIPM, lo splitter resistivo e l oscilloscopio LeCroy della serie WaveJet Mod. 334A da 350 MHz di banda. Come si vede dalla foto la traccia gialla (canale 1) è quella della carica raccolta direttamente dal SIPM, la traccia rosa (canale 2) è l uscita del preamplificatore. Il rapporto fra le ampiezze, cioè qualcosa di assimilabile al guadagno, è leggermente superiore a 10. Occorre tenere presente che lo splitter è stato impiegato per poter effettuare confronti fra segnali di ingresso ed uscita. 2

3 Questo ha causato il dimezzamento delle ampiezze dei segnali ma nessuna variazione fra il loro rapporto. Nel seguito sono riportate alcune tracce acquisite: Le quattro immagini si riferiscono a tracce acquisite con lo scintillatore lungo. Le due immagini si riferiscono a tracce acquisite con scintillatore corto. Il decadimento di questo è evidentemente più lungo. Nelle ultime due immagini si evidenzia la dark-current. 3

4 Come si osserva la forma del segnale è essenzialmente preservata, questo significa che la banda del segnale è sufficiente. Sempre considerando il dimezzamento dei segnali dovuto all uso dello splitter anche l ampiezza massima può essere considerata, per quanto mostrato, intorno ai -400 mv. Questo dato tuttavia è molto dipendente dal tipo di SIPM, dallo scintillatore e dalla quantità di luce raccolta e convogliata alla relativa superficie sensibile. DESCRIZIONE DEL SUCCESSIVO CIRCUITO Il circuito si compone di un solo stadio amplificatore realizzato con tre guadagni differenti. Lo schema è illustrato nella figura seguente: SMA IN Ro LEMO OUT 50 Rf Rs L amplificatore presenta un impedenza di ingresso di 50Ω e deve essere a sua volta terminato su 50Ω. La configurazione non invertente è stata preferita perchè ha prodotto segnali migliori. Il guadagno ottenuto è risultato sufficiente per cui si è utilizzato un solo stadio. Il circuito può essere alimentato sia con tensioni di +5V e -5V che di +2.5V e -2.5V. Nella tabella seguente sono riportati i valori di resistenze in funzione dei tre guadagni realizzati. Gain Ro (Ω) Rs (Ω) Rf (Ω) MISURE EFFETTUATE L amplificazione è stata controllata con un impulsatore. I segnali di SiPm sono stati acquisiti illuminandolo con uno scintillatore corredato di fibra interna di raccolta. La sorgente sono i raggi cosmici. Lo scintillatore è quello più lungo illustrato nella prima foto. Le figure seguenti sono le forme d onda nel caso di guadagno pari a 10. Le figure seguenti sono le forme d onda nel caso di guadagno pari a 15. Le figure seguenti sono le forme d onda nel caso di guadagno pari a 20. 4

5 Il trigger è stato regolato manualmente su di un livello tale da generare una frequenza di qualche secondo, come si può osservare c è una certa linearità nei guadagni mentre i tempi di salita sono simili. PROPOSTA MODULARE Il circuito più conveniente da produrre è modulare: una sezione analogica ed una digitale. La sezione analogica è come quella sopra descritta, ad uno o due stadi ed è completa di regolatore per SiPm con tensione fino a 70V. La sezione digitale consiste in un discriminatore con uscita NIM o TTL. Tutti i connettori di segnale, analogici o TTL possono essere LEMO00 oppure SMA. I connettori di alimentazione sono di tipo AMP a passo 2.54 mm. 5

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