I Silicon Photomultipliers come sistema di lettura per calorimetri shashlik

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1 I Silicon Photomultipliers come sistema di lettura per calorimetri shashlik Alessandro Berra Relazione di fine anno di dottorato XXIV Ciclo

2 Outline I Silicon Photomultipliers Funzionamento, vantaggi e problemi Il calorimetro «Jack» Simulazione Test a bassa e alta energia Simulazione completa con fenomeni ottici I nuovi test di ottobre Lettura a 36 canali Amplificatori a larga banda Scheda di amplificazione con ASIC Maroc Conclusioni 2

3 I Silicon Photomultipliers Detector al silicio composti da una matrice di pixel connessi ad un output comune Ogni pixel può essere considerato come un diodo alimentato ad una tensione oltre quella di breakdown Quando un fotone colpisce un pixel si forma una scarica in maniera simile ad un contatore Geiger Ogni pixel è sostanzialmente un contatore binario (SPAD) La risposta analogica all intensità del segnale è ottenuta (per flussi non troppo intensi) considerando il numero di pixel accesi 3

4 SiPM VS Fotomoltiplicatori: Basso voltaggio di bias ( 50V) Compattezza ( mm 2 ) Operativi in campi magnetici Readout semplice APD Maggiore gain (~10 6 contro ~10 2 ) Non necessitano di particolare elettronica Ottime risoluzioni temporali ( 100ps) SVANTAGGI Dark noise (dipendente da T) Danni da radiazione 4

5 I SiPM: applicazioni Fisica delle alte energie CMS ha già sostituito parte degli HPD del HCAL con dei SiPM e pianifica un altra sostituzione nello shutdown fra 2 anni La maggior parte dei calorimetri studiati per ILC fanno uso di SiPM Fisica medica Nuove PET-TOF ad alta risoluzione (sfruttano la velocità di risposta dei SiPM) Nuove PET-NMR per immagini funzionali e di densità dei tessuti (operatività in campi magnetici) 5

6 SiPM: FBK-irst Dimensione: 3x3 e 4x4 mm 2, montati su PCB Circolari con diametro 1 mm Breakdown voltage: 31V Overvoltage range: 5V Numero di pixel: 3600 e 6400 per i 3x3 e 4x4 mm per i circolari Pixel area: 50x50μm 2 per i 3x3 e 4x4 mm 2 40x40μm 2 per i circolari Gain: 10 6 QE: >90% ( nm) PDE: 30-35% Ref. G.Collazzuol et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 581, (2007) 6

7 Il Calorimetro Shashlik: Jack Assemblato dalla sezione di Trieste Area 11.5x11.5 cm 2, 70 tile di scintillatore plastico (spessore 4 mm) e 69 tile di piombo spesse (1.5 mm) Totale di 19 lunghezze di radiazione (X 0 ) 144 fibre WLS da 1.2mm di diametro, raccolte in gruppi di 9 per un totale di 16 canali, letti da SiPM 3x3 mm 2 FBK-irst NON AMPLIFICATI 7

8 Il Calorimetro Shashlik: Jack Le tile di scintillatore non sono avvolte in Tyvek/Alluminio 8

9 Simulazione in Geant 4 Simulazione completa della linea di fascio Attivazione dei processi EM e adronici usando la lista QGSP_BERTINI NB: nessun modello implementato per valutare l efficienza di raccolta luce! 9

10 Simulazione in Geant 4 Elemento base Inserimento dei fori Replicazione della struttura 10

11 Risoluzione e Linearità Bassa energia Elettroni di bassa energia Ottima linearità Fit alla risoluzione P0 P1/ E P0= Termine costante: domina ad alte energie e dipende dalla geometria del calorimetro (leakage) P1= Termine stocastico: dipende dalle fluttuazioni statistiche nel deposito di energia e va come E 11

12 Risoluzione e Linearità Alta energia Fotoni di alta energia Risoluzione Bassa Energia Alta Emergia Costante 1.19% 1.34% Stocastico 7.05% 6.59% Differenze dovute al maggiore leakage ad alta energia 12

13 Scan in posizione & leakage Fascio di elettroni uniformemente distribuito Deposito sostanzialmente uniforme di energia nella parte centrale del calorimetro Inefficienze dovuti ai buchi nelle tile di scintillatore 13

14 Test Calorimetro Setup elettroni Cherenkov Scintillatore di trigger Strip Detectors Calorimetro Cherenkov per selezionare gli elettroni Strip detector per il tracking (σ 30 μm) Calorimetro in fase di test Energia depositata Cherenkov Tag Picco delle MIP Linea T9, PS East Hall Energia fino a 7 GeV Frazione di elettroni: 60-80% a 1 GeV/c fino a <10% a 5 GeV/c Picco degli elettroni usando il Cherenkov risoluzion e sigma mean 14

15 Test Calorimetro - Procedura Equalizzazione overvoltage: Uso di 4 power supply Equalizzazione risposta: Run usando le MIP Scan in energia selezionando gli elettroni Risoluzione spaziale: Divisione dei canali in 4 «piani» x-y Calcolo del baricentro attraverso la procedura in «Awes et. al., NIM A 311, 130» Calcolo della risoluzione col metodo dei residui rispetto alle strip chambers w i Max 0 0, w ln E E i tot X calc w x i w i i 15

16 Risultati Risoluzione e Linearità Risoluzione SiPM 40 μa SiPM 30 μa SiPM 20 μa SiPM 10 μa Costante 4.0% 5.0% 5.0% 4.6% Stocastico 11.5% 10.5% 9.7% 12.1% Noise 14.2% 13.5% 14.9% 12.1% P2= Termine di noise: domina a basse energie ed è dovuto principalmente al rumore dell elettronica e della catena di acquisizione e va come 1/E 16

17 Risultati Risoluzione Spaziale 1 GeV 2 GeV 3 GeV 4 GeV 5 GeV 6 GeV 7 GeV Risoluzione X Risoluzione Y

18 Test ad Alta Energia Fascio di fotoni SPS H4 line Fotoni ottenuti tramite channeling di positroni in cristalli curvati Energia fotone ottenuta misurando l energia del positrone uscente con un metodo spettrometrico uninsubria.it 18

19 Risultati Calibrazione del calorimetro Divisione del plot in slice per costruire un plot di linearità 19

20 Risultati Risoluzione e Linearità Effetto di saturazione ad alta energia Linearizzazione della risposta tramite fit con polinomio di 4 grado 20

21 Risultati Risoluzione e Linearità Termine costante compatibile Nonostante la linearizzazione alto termine stocastico e di noise NB: in questa configurazione il termine di noise contiene al suo interno anche gli effetti dovuti alla risoluzione energetica dello spettrometro 21

22 Risultati Risoluzione e Linearità A bassa energia ottima linearità (come con elettroni) Conferma di termine stocastico dell ordine di 11%/ E 22

23 Problema Disaccordo datisimulazione (alto termine stocastico) Colpa dei SiPM o colpa del calorimetro? Crediamo che il problema sia nel calorimetro, in particolare nelle tile di scintillatore non ricoperte con materiale riflettente 23

24 Nuova simulazione in Geant 4 Simulazione completa della propagazione della luce all interno di scintillatore e fibre WLS usando il pacchetto di fisica ottica presente in Geant4 Prima fase: assegnazione degli indici di rifrazione a tutti i materiali dielettrici (scintillatore, materiale delle fibre WLS, aria ) Fotoni ottici trattati come normali particelle che si propagano secondo le leggi dell ottica geometrica ESEMPIO Rifrazione plastica-aria di un fotone ottico 24

25 Materiali metallici Cosa succede se il materiale non è dielettrico? Il fotone viene assorbito a meno di non definire una superficie riflettente! 25

26 Superficie riflettente Problema non banale: assenza di copertura riflettente ma: Sottile intercapedine di aria fra le tile (difficilmente valutabile in spessore) con possibilità di riflessione totale per certi angoli Tile di piombo zincate, quindi parzialmente riflettenti Definizione di una «Skin Surface»: riflettività espressa in termini di coefficiente fra 0 e 1 Riflettività=0.62 Ad ogni interazione con la superficie il fotone ha una certa probabilità di venire riflesso 26

27 Processi di scintillazione Gestione completa dei processi di scintillazione: Yield (numero di fotoni generati per kev depositati) Tempo di emissione caratteristico (componente fast e slow) Attenuazione della luce nel mezzo Ottenuti da datasheet Elettrone 100 kev 27

28 Processi di WLShifting Definizione di alcuni materiali come «shifter»: Coefficienti di assorbimento ed emissione a diverse lunghezze d onda Creazione di fibre WLS multi-clad sfruttando le leggi delle riflessione CORE (Polistirene) CLADDING 1 (PMMA) CLADDING 2 (Fluoruro-PMMA) 28

29 «Contare» i fotoni «Sensitive detectors»: corrispettivo dei SiPM nella simulazione, oggetti che contano il numero di fotoni che li colpiscono Un «SiPM» per ogni fibra Schermature per fotoni da altre fibre 29

30 Simulazione completa Tile replicate Inserimento delle fibre WLS Sensitive detectors per contare i fotoni e relativi shield Case esterno di alluminio 30

31 Effetto di un elettrone di 1 GeV Milioni di fotoni ottici da simulare Simulazione estremamente CPU consuming LENTA! 31

32 Analisi - Simulazione ottica Somma di tutti i fotoni per il deposito di energia totale Divisione delle fibre nei «cluster» reali in modo da applicare l algoritmo di ricostruzione in posizione Applicazione nell analisi off-line di un termine di noise Al numero di fotoni per ogni fibra viene sommato un numero fisso di fotoni moltiplicato per un numero casuale compreso fra -1 e 1 32

33 Risultati Simulazione ottica Conservata la linearità Il termine stocastico e di noise sono più simili ai dati! 33

34 Risultati Simulazione ottica Risoluzione Simulazione Simulazione Fotoni R=0.62 Dati Costante 1.2% 2.8% 4.0% Stocastico 7.0 % 14.0% 11.5% Noise % 14.2% Risoluzione energetica e in posizione comparabili 34

35 Cosa ci dice la simulazione? Basso coefficiente di riflessione: gran parte della luce viene dispersa Rivestire le tile di scintillatore con materiale riflettente (Tyvek, alluminio) Termine di noise dovuto alla catena di elettronica elevato Amplificare il segnale dei SiPM e possibilmente limitare la lunghezza dei cavi di segnale 35

36 Prima prova: Jack modificato Nuovo testbeam (ultimato ad inizio novembre) 36 canali di lettura: fibre raccolte in gruppi di 4 SiPM 4x4 mm 2 amplificati 36

37 Jack modificato SiPM 4x4 realizzati dalla FBK-irst 6400 celle Elevato range dinamico Amplificatori realizzati dal gruppo FACTOR di Trieste Elevata banda passante Fattore di guadagno 8x PROBLEMI Elevato consumo ( 50 Watt totali per 36 canali) Tendono a scaldare i SiPM Necessari comunque i cavi di ritardo (in questo caso 36) per portare i segnali con il giusto timing agli ADC Raccolta di noise e dipendenza dalla qualità dei cavi 37

38 Risultati Jack 36 canali Deviazioni dalla linearità Strano comportamento della risoluzione 38

39 Drift delle correnti I = 400 na Drift della posizione del picco degli elettroni e delle MIP Doppio picco dovuto alla saturazione dell amplificatore T = 0.5 C 39

40 Drift delle correnti Sistema di cooling (improvvisato ) Limita ma non risolve il problema della temperatura (specialmente le variazioni giornonotte) 40

41 Risultati Jack 36 canali Meno corrente per eliminare la saturazione dell amplificatore La presenza del ventilatore stabilizza leggermente la temperatura Problemi ancora nei run lunghi nella notte Risultati inferiori alle attese anche in termini di risoluzione 41

42 Seconda prova: Willie + MAROC Tile spesse 3.27 mm e con area di 8x8cm 2 41 tile di scintillatore plastico e 40 tile di piombo per un totale di 24 lunghezze di radiazione (X 0 ) Readout tramite 64 fibre WLS da 0.8mm di diametro, raccolte in gruppi di 4 per un totale di 16 canali SiPM circolari di diametro 1 mm 42

43 La MAROC board ASIC con uscite analogiche e digitali Amplificatore con gain regolabile (tramite le FPGA) 2 ADC: uno integrato ed uno esterno sulla board VANTAGGI Segnale amplificato Cavi di ritardo non più necessari 43

44 Risultati Willie + MAROC 44

45 Conclusioni Proseguiti gli studi sui SiPM applicati a calorimetri shashlik in termini di: Linearità Risoluzione energetica Risoluzione spaziale Sviluppata una simulazione in Geant4 in grado di descrivere la propagazione della luce nelle tile Per il futuro: Modifiche hardware a Jack con rivestimento riflettivo delle tile di scintillatore Circuito di monitoring e correzione delle correnti assorbite in modo da seguire i cambiamenti di temperatura Applicazione dei SiPM alla lettura di fibre borate per realizzare un dosimetro di neutroni 45

46 46

47 BACKUP SLIDES 47

48 Timing Serve tempo per formare il segnale di trigger e per far partire il gate dell ADC Con il MAROC si sfrutta il tempo di shaping del segnale e la posizione dell hold per campionare il segnale sul picco, senza bisogno di ritardare il segnale in ingresso 48

49 FACTOR Fiber Apparatus for Calorimetry and Tracking with Optoelectronic Readout TWICE Techniques for Widerange Instrumentation for Calorimetry Experiments Sviluppo di SiPM a tecnologia avanzata di grande superficie ( 3x3 cm 2 ) Aumento dell efficienza nella regione nm Sviluppo di ASIC di front-end per la lettura dei SiPM Applicazione dei SiPM alla calorimetria e in generale alla lettura di scintillatori in fisica delle alte energie e dello spazio Sezioni INFN Trieste Udine Milano Bicocca Roma 1 Messina Lecce 49