IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI

Facolta di Scienze Matematiche, Fisiche e NaturaliCorso di Laurea in Fisica

Uso di APD a basse temperaturecome rivelatori

per la Fisica delle alte energie

Tesi di Laurea Triennale

Relatori: Alessandro Cardini, Adriano LaiTesi di: Alessandra Lai

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

1 IntroduzionePerche APD a bassa temperatura?APD: Avalanche PhotoDiode

2 Misure di guadagno e corrente di buioMetodo di misura e set-upRisultati sperimentali

3 Misure di efficienza quantica relativaMetodo di misuraRisultati sperimentali

4 Lettura di segnali provenienti dall’APDCatena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

5 Conclusioni

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Perche APD a bassa temperatura?APD: Avalanche PhotoDiode

Perche e interessante studiare il funzionamento di APD a bassatemperatura?

In certi casi la sezione d’urto di diffusione di particelle elementari ha una fortedipendenza dalla polarizzazione del bersaglio.Interesse nel realizzare bersagli attivi polarizzabili magneticamente.

Un elevato grado di magnetizzazione in scintillatori inorganici (GSO) si puoottenere a basse temperature e con elevati campi magnetici.

Necessita di realizzare rivelatori di luce che possano lavorare nelle medesimecondizioni.

I rivelatori a semiconduttore sono dei buoni candidati perche sono insensibili acampi magnetici.

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Perche APD a bassa temperatura?APD: Avalanche PhotoDiode

APD: Avalanche PhotoDiode

E un diodo che lavora in polarizzazione inversa, basato sul fenomeno dimoltiplicazione a valanga della carica nella giunzione.

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Perche APD a bassa temperatura?APD: Avalanche PhotoDiode

Parametri caratteristici

corrente di buio (o dark current) ID :corrente di perdita in assenza di illuminazione

ID = Ids + G · Idgguadagno G:rapporto tra fotocorrente misurata in condizioni di moltiplicazione e inassenza di moltiplicazione

G(V ) =Ipc(V )

Ipc(V < V0)

efficienza quantica QE:probabilita che un fotone incidente generi una coppia disponibile per laconduzione

QE =Ncoppie

Nγ

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IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misura e set-upRisultati sperimentali

Metodo di misura del guadagno

Si misurano correnti medie

G(V ) =Ipc(V )

Ipc(V < V0)=

Itot(V )− ID(V )

Itot(V < V0)− ID(V < V0), G(V < V0) ≡ 1

Itot =⇒ illuminazione costante

ID =⇒ assenza di illuminazione

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IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misura e set-upRisultati sperimentali

Set-up

Sensibilita: 0.5 pA

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misura e set-upRisultati sperimentali

Misure preliminari: temperature non criogeniche

verificare che l’APD risponde come ci si aspetta

G aumenta all’aumentare di Vbias

e al diminuire di T (a V fissata)

ID = Ids + G · Idg

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misura e set-upRisultati sperimentali

Temperature criogeniche

T = 77 K =⇒ LN2

T = 4.5 K =⇒ LHe

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misuraRisultati sperimentali

Metodo di misura della RQE

Perche efficienza quantica RELATIVA?

Il valore della QE non e noto con esattezza (comunque prossimo all’80%).Considerando che la risposta dell’APD (fotocorrente) a temperatura ambientesia 100%, misuriamo eventuali variazioni percentuali rispetto a questoriferimento.

Condizioni in cui avviene la misura:

@ G = 1 −→ Vbias = 200 V

in fase di riscaldamento

1.7 K < T < 294 K

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Metodo di misuraRisultati sperimentali

RQE vs T

RQE ≈ 100% a 290 K

RQE ≈ 60% a 80 K

RQE ≈ 40% da 18 K fino a 1.7 K

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Catena elettronica di lettura per segnali di carica

APD per la lettura della luce di scintillazione proveniente da un cristallo:=⇒ catena elettronica per processare il segnale in uscita dal rivelatore

Componenti del circuito

preamplificatore di carica −→ JFET + A250

shaper

Rumore

Per minimizzarlo =⇒ APD + JFET a bassa temperatura

L’A250 non puo lavorare a temperature criogeniche =⇒ necessita diseparare il circuito originale in due parti

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Schema del circuito

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Circuito reale

”a freddo”temperatura ambiente

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Calibrazione della catena

La calibrazione di una catena di lettura di questo tipo serve per stabilire aquanta carica in ingresso corrisponde il segnale in tensione all’uscita.

Si iniettano segnali di carica nota e siosserva l’ampiezza dei segnali in uscita dalloshaper attraverso un MCA

Q = Cinj · V

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Metodo di misura del rumore

Il rumore e dato dalla larghezza a mezza altezza del picco (FWHM).Per convenzione si esprime in ENC

ENC[e− rms] =FWHM[fC]

2.35· 6250

ENC=⇒ Equivalent Noise Charge:

numero di elettroni rms che, se presenti in ingresso, produrrebbero un segnaledi carica equivalente al rumore misurato

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

ENC vs Vbias

Condizione di minimo rumore

1295 e− rms @ 294 K

774 e− rms @ 245 K

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Metodo di misura del guadagno

55Fe =⇒ raggi X ≈ 6 keV

< n >= 1657

Qdep = 0.265 fC

G =Qmis

Qdep

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Catena elettronica di lettura per segnali di caricaCalibrazione della catena e misura del rumoreAnalisi di segnali: 55Fe

Spettro 55Fe - G vs Vbias

segnale: ≈ 105 e−

rumore: ≈ 4 103 e− rms

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Conclusioni

Misure in DC

L’APD funziona correttamente fino a T = 1.7 K (G ≈ 103 @ 1300 V)

La sua risposta e analoga sia a bagno che in vapori d’elio

La RQE diminuisce con la temperatura

RQE ≈ 40% =⇒ QE ≈ 30% @ 1.7 Kconfrontabile con i valori tipici di QE dei fototubi

Misure in AC

Il rumore diminuisce con la temperatura (minimo −→ ≈ 780 e− rms@ 245 K e Vbias=1550 V)

Il sistema consente di rivelare chiaramente depositi di carica corrispondentia 1600 coppie liberate

Alessandra Lai

IntroduzioneMisure di guadagno e corrente di buio

Misure di efficienza quantica relativaLettura di segnali provenienti dall’APD

Conclusioni

Prossimi passi

Determinazione precisa della temperatura alla quale avviene la bruscariduzione di QE

Determinazione del rapporto segnale/rumore (1.7 K <T< 294 K)

Alessandra Lai