7 maggio 2020

ELETTRONICA PER LA FISICA SPERIMENTALE

e proposte di Tesi

P. Carniti, C. Gotti, G. Pessina

Le attività del nostro gruppo

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Le collaborazioni del nostro gruppo spaziano in diversi campi della Fisica delle particelle:

Fisica delle alte energie• CMS• LHCb

Fisica del neutrino• CUORE• LuCIFER* → CUPID-0/CUPID• CROSS*• DUNE

Altre attività del gruppo• Collaborazioni con l’industria (con INFN): Tecnologix, ALTA-LAB• Collaborazioni con il gruppo di Biofisica• Didattica

* grant ERC

Il futuro dell’elettronica

La nostra vita quotidiana è sempre più dominata da dispositivi elettronici:• Sensori di ogni tipo in oggetti di uso quotidiano (dispositivi «smart», «Internet of things», …)• Elettronica sempre più distribuita nel mondo «fisico» e interfacciata con esso• Esempi: auto a guida autonoma, dispositivi indossabili (wearables), applicazioni medicali, …

Elettronica digitaleL’elettronica digitale domina lo sviluppo delle tecnologie elettroniche (transistor sempre più piccoli, alta velocità, parallelizzazione, basso consumo).

Elettronica analogicaSe l’elettronica digitale vuole interfacciarsi con il mondo fisico (analogico) è irrinunciabile avere unainterfaccia («front-end») tra questi due mondi.

Sensore:converte la grandezza fisica di interesse in un impulso elettrico.

Front-end analogico:amplifica e filtra il segnale.(basso rumore, alta precisione, velocità, … )

Convertitori e Processori:DigitalizzazioneCalcoloMemorizzazione

10010…

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Rivelatori di particelle ed elettronica

Un «rivelatore» (sensore, trasduttore, …) converte l’energia depositata dalla particella incidente in un impulso elettrico.

Il «front-end» analogico amplifica e filtra il segnale. Requisiti tipici: basso rumore, alta precisione (spaziale, temporale, …), velocità, …

Il «DAQ» (sistema di acquisizione) digitalizza i segnali per la memorizzazione.

γ, e, p, …

Rivelatore:

Dati

Controllo

Fenomeno fisico Analisi dati

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Come si declina il paradigma «mondo fisico → front-end analogico → convertitore A/D» in un esperimento di Fisica?

Elettronica di front-end

In cosa consiste l’elettronica di front-end per un esperimento di Fisica?Mostriamo alcuni esempi di elettronica di front-end progettata dal nostro gruppo:

Schede a componenti discretiSchede che ospitano componenti disponibili sul mercato, selezionati per soddisfare le necessità dell’esperimento.

Circuiti integrati customQuando lo spazio a disposizione è poco e le specifiche particolarmente spinte, si realizzano circuiti integrati di dimensioni micrometriche, progettati ad hoc per l’esperimento.(«ASIC: Application specific integrated circuit»)

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Analogica

Digitale

I rivelatori RICH dell’esperimento LHCbLHCb è uno dei 4 grandi esperimenti all’acceleratore Large Hadron Collider (CERN).Comprende due sottorivelatori «RICH» per l’identificazione delle particelle.In sostanza, delle macchine fotografiche ultraveloci:• 40 milioni di scatti al secondo• Sensibili a singolo fotone

Sviluppo del chip CLARO8:• CMOS 350 nm• 8 canali• Ultra-veloce (risposta

< 25 ns) per alti rate di segnale (> 40 MHz)

• Resistente alla radiazione

Caratteristiche dell’elettronica:• Alta velocità e precisione temporale• Capacità di sopravvivere alla radiazione dell’acceleratore

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Analogica Digitale

Rivelatori bolometrici (CUORE, CUPID, CROSS)I bolometri convertono l’energia rilasciata dalla particella in calore.L’aumento di temperatura è rivelato da un sensore resistivo (termistore) a semiconduttore (NTD-Ge).Il termistore genera un segnale di tensione, che viene amplificato e digitalizzato.

Preamplificatore

Sistema di acquisizione datiScheda custom + FPGA

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Compiti dell’elettronica:• Lettura dei segnali a bassissimo rumore • Alta reiezione dei disturbi ambientali• Alta stabilità nel tempo

Elettronica di front-end di CUORE: 1000 canali

NTD Ge Sensor (Thermometer)

Teflon (PTFE) supports

Copper Holder

Crystal (TeO2)

Weak Thermal Coupling

Heat Sink

Absorber Crystal

Incident Radiation

Heater resistor

I fotorivelatori di DUNEDUNE è un esperimento per lo studio delle proprietà dei neutrini in costruzione negli USA.Per rivelare i fotoni prodotti nelle interazioni, si useranno fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM) immersi in argon liquido (90 K).

Compiti dell’elettronica:• Basso rumore• Capacità di funzionare a temperatura criogenica

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Fotorivelatore (SiPM)

Segnali corrispondenti a 1, 2, 3, etc fotoni

Amplificatore

Proposte di tesi triennali da remotoAttività da svolgere da remoto, basate su microcontrollori di famiglia ARM:

1. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per rivelatore al germanio per spettroscopia nucleare

2. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per microfoni a bassa frequenza, per applicazioni sismografiche e di diagnostica vibrazionale

3. Realizzazione di un sistema di acquisizione (DAQ) per rivelatori di luce al silicio (SiPM) con sensibilità al singolo fotone

4. Studio di tecniche di comunicazione/trasferimento dati ottimizzate per esperimenti di Fisica

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Esempio di lavoro da remoto

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Esempi di postazioni di lavoro in laboratorio: i PC sono connessi alle schede con cui dialogare e sviluppare il firmware

Il portatile, che simula la postazione «casalinga», replica il PC del laboratorio: con webcam si vede l’effetto sulla scheda, mentre con il software di sviluppo è possibile dialogare e programmare il microcontrollore.

Considerazioni finali

Le competenze acquisite da un fisico-elettronico forniscono un ottimo curriculum:• sia per continuare nel campo della ricerca accademica (ogni

esperimento di Fisica ha bisogno di un’elettronica di front-end!)• sia per inserirsi in realtà produttive e/o di ricerca industriale

Inseriti in vaste collaborazioni internazionali:• esperienze all’estero• lavoro in team

SensoreFront-end analogico Convertitori e

Processori

10010…

Rivelatore Front-end analogico DAQ

γ, e, p, …

≈Esempi di competenze acquisite: • Sistemi embedded con microcontrollori e FPGA

(IoT, automazione industriale, applicazioni mediche, …)• Lettura ed elaborazione di segnali provenienti da sensori• Sviluppo di sistemi di misura automatizzati• Progettazione di elettronica integrata• Studio di fotorivelatori• …

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Grazie dell’attenzione!

Per informazioni scriveteci a:

gianluigi.pessina@mib.infn.itclaudio.gotti@mib.infn.itpaolo.carniti@mib.infn.it

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