Academic literature on the topic 'Fotomoltiplicatore'

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

In questo lavoro è stata studiata la risposta a particelle al minimo di ionizzazione di un rivelatore, che sarà utilizzato per l'identificazione di muoni in SHIP (Search for HIdden Particles), esperimento proposto al CERN e ancora in fase di approvazione. Il rivelatore è basato su una striscia di scintillatore lunga tre metri accoppiata ad una fibra ottica Wave Lenght Shifter (WLS) e letta da due fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM), posti ad entrambi i capi. Lo scopo principale del lavoro è la misura della raccolta di luce del rivelatore e la valutazione della lunghezza di attenuazione della striscia. I risultati mostrano che, nonostante l'attenuazione, la configurazione scelta per il rivelatore è tale da garantire una buona raccolta di luce lungo tutta la striscia.

In questa tesi si sono studiati e sviluppati i rivelatori di fotoni x per l’esperimento FAMU (Fisica degli Atomi Muonici gruppo 3 dell’INFN) che indaga sulla natura e la struttura del protone. I rivelatori sono stati assemblati e testati con elementi che rappresentano lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di radiazione (scintillatori LaBr3(Ce) e fotomoltiplicatori Hamamatsu™ Ultra Bi-Alcali). È stata anche studiata e sviluppata parte della catena di formatura del segnale. Questa è stata implementata su un chip FPGA dell’ALTERA™ con buoni risultati per quanto riguarda la qualità del filtro; le performance dell’FPGA non hanno consentito di raggiungere la velocità di 500MHz richiesta dall’esperimento costringendo l’implementazione ad una velocità massima di 320MHz.

In questi ultimi anni è stato sviluppato un nuovo tipo di rivelatore di particelle conosciuto sotto il nome di SiPM "Silicon Photomultiplier". La prima domanda che ci siamo posti è stata: può questo rivelatore operare in un ambiente spaziale con le restrizioni legate a quell'ambiente ?, la sua vita media è compatibile con la durata di un volo satellitare in orbita? . Per rispondere a queste domande, abbiamo caratterizzato nel nostro laboratorio tre tipi di SiPMs: 1x1 mm2 ; matrice di 1024 pixel; 3x3 mm2 ; matrice di 5625 pixel; 5x5 mm2 ; matrice di 3600 pixel. Abbiamo studiato il loro comportamento in relazione alle variazioni termiche ed elettriche, la loro stabilità a lungo termine, il loro invecchiamento, il loro comportamento in risposta a un flusso importante di particelle (RadHard). Abbiamo voluto dare una risposta al suo utilizzo (SIPM) come "detector" di un sistema di trigger per dispositivi per rivelazione di particelle nello spazio. Per rispondere a questo quesito, abbiamo concepito diverse configurazioni di rivelatori a base di SiPMs e abbiamo provato le loro prestazioni utilizzando inizialmente i muoni cosmici, in seguito attraverso l'utilizzo di un fascio di elettroni (500MeV@50Hz), che ci ha fornito il “Beam test Facility (BTF)" del laboratorio nazionale di Frascati (LNF). Alla fine di questa prova, la configurazione che presentava la migliore efficacia e la migliore relazione segnale rumore è stata presa in considerazione, e proposta, come trigger delle prossime generazioni di rivelatore di particelle per lo spazio. Abbiamo infine inserito i nostri risultati sperimentali su uno dei progetti spaziali che ci permetterà di utilizzare gli SiPM : Progetto SiRad (Silicon Radiation). Questo progetto è in fase di costruzione nel nostro laboratorio. Qui presentiamo le sue diverse parti, il suo principio di funzionamento e i risultati dei primi test su quest'apparato.
Since a few years a new type of photodetector known as SIPM "Silicon Photomultiplier" is being developed. We wanted to know if the SIPM could operate under the conditions of the space environment and if its lifetime could match that of a satellite in orbit. We have characterized at the laboratory three types of SiPMs: - (1x1 mm2; matrix of 1024 pixels); - (3x3 mm2; matrix of 5625 pixels); - (5x5 mm2; matrix of 3600 pixels). We studied their behaviour in comparison with thermal and electrical variations, their long-term stability, their ageing, and their behaviour in comparison with an important flow of particles. We then wanted to know if the SIPM could be used as a photomultiplier of a trigger system of the space-borne particles detectors. For this, we have designed different configurations of detectors based on SiPMs and we tested their performance initially using the cosmic muons, and then using an electron beam (500MeV @ 50Hz) that provided us the "Beam Test Facility (BTF)" of the National Laboratory of Frascati (LNF). From this test the configuration which presented the best effectiveness and the best ratio signal to noise was retained. We thus proposed it, like trigger of the next generations of the space-borne particles detectors. We finally worked on one of the space projects that will allow us to use the SiPM in space: the SiRad (Silicon Radiation) project. This project is under construction in our laboratory. We present its various parties, its operating principle, and the results of the very promising first tests on this device.

Il rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS, in LHC, deve cambiare fotomoltiplicatori durante il Long Shutdown I. Due modelli candidati per la sostituzione sono stati irradiati con raggi gamma per studiarne la resistenza alla radiazione. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, guadagno relativo e risposta spettrale prima e dopo l'irraggiamento. L'unica differenza di rilievo dopo l'irraggiamento risulta essere l'aumento di dark current. All'interno dell'incertezza di misura, non ci sono variazioni negli altri parametri e non ci sono differenze sostanziali fra i due modelli.

Da osservazioni su scala astronomica e cosmologica si stima che il 26.8% dell’Universo sia costituito da materia oscura. Sono state formulate varie ipotesi sulla natura della materia oscura, tra di esse spicca quella delle Weakly Interactive Massive Particles.
 L’esperimento XENON, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, cerca la Materia Oscura con un rivelatore che utilizza la tecnica della rivelazione diretta di WIMP. In particolare, è dedicato alla rivelazione dell’urto elastico di particelle di materia oscura con i nuclei di Xeno, contenuto in una Time Projection Chamber. Il progetto XENON è nella fase sperimentale XENON1T che rappresenta il primo rivelatore con massa attiva di Xeno liquido su scala della tonnellata. I primi dati del rivelatore, tuttora in funzione, non hanno evidenziato eventi dovuti a materia oscura ed hanno permesso di fissare il limite per la sezione d’urto WIMP-nucleo, indipendente dallo spin e migliorare i limiti precedentemente ottenuti. Nonostante ciò la collaborazione XENON è già a lavoro per la fase successiva del programma, XENONnT in cui la massa attiva di Xeno sarà di circa 6 t. Sono in corso vari programmi di ricerca e sviluppo (R&D) volti al miglioramento delle prestazioni del rivelatore, con particolare attenzione alla possibilità di aumentare la raccolta di luce prodotta dall’interazione della WIMP con lo Xeno, con conseguente l’aumento della sensibilità. Una delle possibilità è quella di utilizzare fotomoltiplicatori al Silicio. Essi dovranno operare a temperature di circa 170 K e avere buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d’onda di circa 175 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. In particolare ho lavorato per sviluppare un codice in ambiente LabVIEW capace di monitorare diversi parametri di un setup sperimentale di test di SiPM in Xeno. Il setup è stato infine utilizzato per effettuare prime misure di guadagno del SiPM in una camera a vuoto.

Dall'inizio del 2013 il Large Hadron Collider (LHC) non produce dati (fase di shut down) per effettuare operazioni di consolidamento e manutenzione. Nella primavera del 2015 ritornerà in funzione con energia e luminosità maggiori. La fase di shut down è sfruttata anche per migliorare le prestazioni dei vari rivelatori che operano in LHC, così che possano acquisire dati in modo efficiente alla riaccensione. Per quanto riguarda il monitor di luminosità LUCID, che fa parte dell'esperimento ATLAS, sono stati sostituiti i rivelatori principali (i fotomoltiplicatori) e l'elettronica. Numerosi considerazioni rispetto alla durata dei nuovi sensori nell'ambiente di LHC tra il 2015 e il 2018, nonché sulla misura della luminosità durante il run II, hanno portato alla conclusione che i nuovi PMT dovranno operare ad un guadagno di math 10^5. E' stato dunque necessario, una volta identificati ed acquistati i nuovi sensori, qualificarne il funzionamento individuale e determinare la tensione di lavoro corrispondente al guadagno desiderato. La prima parte di tali misure, effettuate interamente a Bologna, riguarda la misura della corrente di buio e l'andamento della dipendenza del guadagno dei PMT dalla tensione applicata. La seconda parte riguarda invece lo studio di diversi metodi per le misure del guadagno assoluto, e la loro applicabilità durante la fase di funzionamento di LHC. Durante la presa dati, infatti, sarà essenziale essere in grado di monitorare continuamente il guadagno di ciascun sensore al fine di mantenerlo costante. Le misure di guadagno assoluto presentate in questa tesi sono state effettuate in parte a Bologna, sfruttando il metodo del singolo fotoelettrone, e in parte presso il CERN, utilizzando una sorgente radioattiva, il Bismuto 207.

Diverse osservazioni, su scala astronomica e cosmologica, suggeriscono l'esistenza di Materia Oscura e che questa componga quasi il 90% della materia nell'Universo. Le particelle candidate più promettenti sono le Weakly Interacting Massive Particle. La loro rivelazione è difficile a causa della piccola sezione d'urto prevista; l'osservazione di Materia Oscura necessita quindi di rivelatori ultra puri e ultrasensibili, situati in ambienti in cui i segnali di fondo possano essere ridotti. Il progetto XENON, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si pone l'obiettivo di rivelare direttamente le interazioni della Materia Oscura con rivelatori costituiti da una Time Projection Chamber contenente Xeno. La fase attuale del progetto è XENON1T; i primi risultati non hanno evidenziato eventi dovuti a Materia Oscura, permettendo invece di fissare un limite per la sezione d'urto WIMP-nucleo, indipendente dallo spin e di migliorare quelli precedentemente ottenuti. Con lo scopo di aumentare ulteriormente la sensibilità, ed eventualmente confermare un'osservazione da parte di XENON1T, la collaborazione sta lavorano alla fase successiva, prevista per il 2019: XENONnT. Per ridurre il fondo dovuto a neutroni generati dai materiali del rivelatore è in progetto un sistema di Veto di Neutroni basato su scintillatore liquido dopato con Gadolinio (Gd). Tale rivelatore è completato da 120 Fotomoltiplicatori, ovvero dispositivi in grado di convertire il segnale luminoso in un segnale di corrente analizzabile e amplificabile. In questo lavoro di tesi saranno riportati i risultati di primi test di funzionalità di PMT 8" Hamamatsu R5912-100WA-D30, effettuati presso i laboratori dell'Università e della Sezione INFN di Bologna. In particolare è stato misurato il guadagno di tre PMT campione e lo si è confrontato con i valori forniti dalla casa produttrice, allo scopo di valutare un possibile utilizzo dei PMT nel futuro Veto di Neutroni di XENONnT.