Tecnologie elettroniche e microelettroniche per esperimenti di fisica nucleare e subnucleare
Progetto Questa ricerca verte sullo sviluppo di due tecnologie elettroniche per il ¿front-end¿ di rivelatori di radiazioni/particelle ionizzanti per esperimenti di fisica nucleare e subnucleare.
La prima di queste tecnologie è destinata ai rivelatori al germanio HPGe segmentati per spettroscopia gamma e consiste in un circuito elettronico ¿add on¿ da inserire nei preamplificatori tradizionali ¿a reset resistivo¿. Esso riporta automaticamente e rapidamente il preamplificatore in condizioni di riposo (¿reset forzato¿) in presenza di eventi particolarmente energetici e/o di elevati counting rates, condizioni che altrimenti manderebbero ripetutamente il sistema elettronico in saturazione generando così un significativo ¿dead time¿. La soluzione ideata è particolarmente adatta per gli esperimenti di fisica nucleare con fasci di ioni radioattivi, nei quali si prevede un background di particelle cariche (pioni, kaoni, ecc.) con rilasci energetici nei rivelatori fino a 100 MeV. Lo stesso circuito ¿add on¿ rende possibile la misura indiretta dell¿energia dell¿evento energetico (particella/fotone) attraverso una misura di tempo di soprasoglia lungo il transiente di reset. Producendo segnali energetici fittizi con l¿ausilio di un impulsatore abbiamo già dimostrato al banco di misura che la risoluzione ottenibile con tale tecnica nel range energetico dai 3 MeV ai 30 MeV è inferiore all¿uno per cento. Diviene così possibile avere al tempo stesso una elevata risoluzione sia nel range tipico della spettroscopia gamma (da 30 keV a 3 MeV) che nel range da 3 MeV a 30 MeV (o più) di grande interesse per lo studio delle risonanze nucleari giganti. Intendiamo realizzare il ¿front-end¿ per un vero e proprio esperimento con emissione di fotoni gamma energetici e di raccogliere/elaborare i relativi dati sperimentali.
La seconda è una tecnologia circuitale che rende possibile la integrazione su silicio di preamplificatori criogenici per rivelatori al germanio. La realizzazione del preamplificatore in forma monolitica (¿chip¿) sta prendendo oggi sempre più piede negli apparati ad alte densità di canali di rivelazione (rivelatori a ¿pixel¿, a ¿pad¿ o a microstrisce) e negli esperimenti in cui le richieste di radiopurezza costringano a contenere il più possibile la massa dell¿elettronica alloggiata vicina al rivelatore (esperimenti su decadimenti rari). La difficoltà principale consiste nel raggiungimento delle performance richieste dalla spettroscopia gamma, cioè una risoluzione tipica dell¿uno per mille per eventi da 1 MeV ed un ampio range dinamico di circa 60 dB, pur con le basse tensioni di alimentazione disponibili nelle tecnologie scalate dei circuiti integrati. Contestualmente il chip deve poter funzionare a temperature criogeniche e deve essere in grado di pilotare un cavo coassiale da 50 ohm di molti metri di lunghezza. Ci proponiamo di progettare e realizzare un circuito in tecnologia CMOS-0.8µm-5V che consenta di soddisfare alle specifiche menzionate.