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Progetto e realizzazione di un setup di misura basato su preamplificatore di carica per fotorivelatori in silicio Sipm

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Indice Introduzione 3 1 Principi di assorbimento della luce 5 1.1 I fotoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Assorbimento della luce e interazione con la materia . . . . . . 7 1.3 I semiconduttori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Assorbimento della luce nel Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Dispositivi fotorivelatori 19 2.1 Dispositivi a vuoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Dispositivi a stato solido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.1 APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 GM-APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 SiPM 29 3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Topologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 Trasformata di Fourier di un segnale SiPM . . . . . . . . . . . 34 3.5 Caratteristica statica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6 Parametri di un SiPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.6.1 Guadagno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.6.2 Detection Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6.3 Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.7 Rumore in un SiPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7.1 Dark count . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7.2 Afterpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7.3 Cross-talk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 v vi INDICE 3.8 Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 Misura della carica 55 4.1 Charge detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2 Schema a blocchi di misura della carica . . . . . . . . . . . . . 59 4.3 Il preamplificatore di carica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.4 Calcolo della funzione di trasferimento . . . . . . . . . . . . . 63 4.5 Diagrammi di Bode del preamplificatore di carica (accoppiato in AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.6 Cenni sul rumore nel preamplificatore di carica. . . . . . . . . 74 4.7 Dimensionamento dei paremetri del preamplificatore di carica 76 4.8 CR-110: Caratteristiche principali . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.9 CR-110: Introduzione alle misure . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.10 CR-110: Risposta in frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.10.1 Risposta in frequenza con oscilloscopio . . . . . . . . . 84 4.10.2 Risposta in frequenza con analizzatore di spettro . . . 87 4.11 CR-110: Analisi nel tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.11.1 Prima misura - Impulsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.11.2 Seconda misura - Sinusoidi . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.11.3 Terza misura - Forme d’onda triangolari . . . . . . . . 101 4.11.4 Quarta misura - Forme d’onda esponenziali. . . . . . . 103 4.12 Filtro formatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.12.1 Formatura CR-RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.13 CR-200: Caratteristiche principali . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.14 CR-200: Misure in frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.14.1 Risposta in frequenza con oscilloscopio . . . . . . . . . 137 4.14.2 Risposta in frequenza con analizzatore di spettro . . . 138 4.15 CR-200: Misure nel tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.15.1 Prima misura - Impulsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.15.2 Seconda misura - Sinusoidi . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.15.3 Seconda misura - Forme d’onda triangolari . . . . . . . 148 4.15.4 Terza misura - Forme d’onda esponenziali . . . . . . . 149 4.15.5 Misure con altri tempi di formatura . . . . . . . . . . . 151 4.16 Scelta dello shaping time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.17 Preamplificatore di carica e filtro formatore. . . . . . . . . . . 158 4.18 Caso ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.19 Caso reale: Pole-zero cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.20 Schema di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 INDICE 1 4.21 Misure in frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.21.1 Risposta in frequenza con oscilloscopio . . . . . . . . . 168 4.21.2 Risposta in frequenza con analizzatore di spettro . . . 171 4.22 Misure nel tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.22.1 Prima misura - Impulsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.22.2 Seconda misura - Sinusoidi . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.22.3 Quarta misura - Forme d’onda esponenziali. . . . . . . 179 4.23 Conclusioni sui test elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5 Misura del guadagno 183 5.1 Setup di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.2 Metodo 00 amplificatore di tensione 00 . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.1 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.3 Metodo 00 corrente DC 00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 5.3.1 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.4 Metodo degli istogrammi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.4.1 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 5.5 Metodo 00 preamplificatore di carica 00 . . . . . . . . . . . . . . . 199 5.5.1 Circuito di integrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 5.5.2 Dimensionamento di R e C in . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.5.3 Pile-up e rumore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5.5.4 Descrizione metodologia di misura . . . . . . . . . . . . 208 5.5.5 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.6 Confronti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Conclusioni 219
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Informazioni tesi

  Autore: Mirco Ravanelli
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2007-08
  Università: Università degli Studi di Trento
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria dell'informazione
  Relatore: Gian Franco Dalla Betta
Coautore: Lorengo Michele
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 228

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