Study of a pulsed LED set-up to characterise the light response of SiPM sensors for the EIC dRICH detector

L’Electron Ion Collider (EIC) è un futuro acceleratore di particelle che ha l’obiettivo di approfondire le nostre conoscenze riguardo l’interazione forte, una delle quattro interazioni fondamentali della natura, attraverso collisioni di elettroni su nuclei e protoni. L’infrastruttura del futuro detector comprende un sistema d’identificazione basato sull’emissione di luce Cherenkov, un fenomeno che permette di risalire alla massa delle particelle. Una delle configurazioni prese in considerazione per questo sistema è il dual-radiator RICH, basato sulla presenza di due radiatori all’esterno dei quali si trovano dei fotorivelatori. Un’opzione per questi sensori sono i fotorivelatori al silicio SiPM, oggetto di questo lavoro di tesi. L’obiettivo dell’attività è lo studio di un set-up per la caratterizzazione della risposta di sensori SiPM a basse temperature, illuminati attraverso un LED. Dopo un’analisi preliminare per determinare le condizioni di lavoro, si è trovato che la misura è stabile entro un errore del 3.5%.

Studio e caratterizzazione di sensori Silicon PhotoMultiplier (SiPM) per applicazioni di timing nell'esperimento ALICE 3

Lo studio che verrà presentato in questo lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di Silicon PhotoMultiplier (SiPM): essi sono sensori a semiconduttore che sono stati proposti per la realizzazione del layer Time-Of-Flight (TOF) del nuovo esperimento proposto ad LHC, ALICE 3. Sono stati testati sensori diversi, sia in termini di casa di fabbricazione (FBK o HPK), sia in termini di struttura; in particolare, i modelli a disposizione di produzione FBK sono singoli SPAD, singoli SiPM e mini-array di SiPM, mentre i modelli HPK sono tutti singoli SiPM. La caratterizzazione è avvenuta mediante misure di corrente e capacità del sensore al variare della tensione (curve IV e curve CV); l'obiettivo primario è studiare e confrontare tali andamenti, in modo da poter selezionare i sensori con caratteristiche simili per la costruzione del layer del TOF. Si è osservato che sensori della stessa casa produttrice e con la stessa struttura interna esibiscono comportamenti quasi sovrapponibili, dimostrando in generale una ottima uniformità.

Cryogenic optical readout for a liquid argon neutrino imaging detector

The GRAIN detector is part of the SAND Near Detector of the DUNE neutrino experiment. A new imaging technique involving the collection of the scintillation light will be used in order to reconstruct images of particle tracks in the GRAIN detector. Silicon photomultiplier (SiPM) matrices will be used as photosensors for collecting the scintillation light emitted at 127 nm by liquid argon. The readout of SiPM matrices inside the liquid argon requires the use of a multi-channel mixed-signal ASIC, while the back-end electronics will be implemented in FPGAs outside the cryogenic environment. The ALCOR (A Low-power Circuit for Optical sensor Readout) ASIC, developed by Torino division of INFN, is under study, since it is optimized to readout SiPMs at cryogenic temperatures. I took part in the realization of a demonstrator of the imaging system, which consists of a SiPM matrix connected to a custom circuit board, on which an ALCOR ASIC is mounted. The board communicates with an FPGA. The first step of the present project that I have accomplished was the development of an emulator for the ALCOR ASIC. This emulator allowed me to verify the correct functioning of the initial firmware before the real ASIC itself was available. I programmed the emulator using VHDL and I also developed test benches in order to test its correct working. Furthermore, I developed portions of the DAQ software, which I used for the acquisition of data and the slow control of the ASICs. In addition, I made some parts of the DAQ firmware for the FPGAs. Finally, I tested the complete SiPMs readout system at both room and cryogenic temperature in order to ensure its full functionality.

Study of the performance of the prototype EIC dRICH readout based on SiPM with thermoelectric cooling

L'Electron-Ion Collider è un futuro acceleratore di particelle che approfondirà la nostra conoscenza riguardo l'interazione forte tramite la collisione di elettroni con nuclei e protoni. Uno dei progetti attualmente considerati per la costruzione del rivelatore, il dual-radiator RICH, prevede l'impiego di due radiatori Cherenkov, sui quali verranno montati dei fotorivelatori per rilevare l'emissione della luce Cherenkov e risalire alla massa delle particelle. L'opzione di base per questi rivelatori sono i sensori al silicio SiPM. Questo lavoro di tesi si basa sullo studio delle prestazioni di un prototipo per l'acquisizione dei dati rilevati dai SiPM che sfrutta l'effetto termoelettrico per raffreddare la zona in cui sono situati i sensori. L'analisi dei dati acquisiti ha portato alla conclusione che le prestazioni del prototipo sono confrontabili con quelle misurate all'interno di una camera climatica quando si trovano alla stessa temperatura.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

Caratterizzazione di SiPM in ambiente criogenico per il far detector di DUNE

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) è un esperimento internazionale attualmente in costruzione al laboratorio Fermilab in Illinois, Stati Uniti. Il suo scopo sarà quello di studiare alcuni dei fenomeni e quesiti aperti che riguardano i neutrini: particelle debolmente interagenti facenti parte del Modello Standard. In particolare DUNE intende studiare il fenomeno dell'oscillazione di sapore dei neutrini, osservare neutrini provenienti da supernove e stelle di neutroni per studiarne la formazione e ricercare l'eventuale decadimento dei protoni. L'esperimento sarà formato da due siti sperimentali distanti circa 1300 km tra loro: il Near Detector situato a Fermilab ed il Far Detector, situato al Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. Questa tesi è rivolta in particolare al sistema di fotorivelazione del Far Detector, che utilizza fotomoltiplicatori al silicio (Silicon Photomultipliers, o SiPM). Questi dispositivi dovranno funzionare in condizioni criogeniche in argon liquido, perciò è stata avviata un'intensiva campagna di test volta alla caratterizzazione e validazione dei sensori che saranno montati nell'apparato. La sezione INFN di Bologna è coinvolta in questa campagna e dovrà testare una parte dei SiPM destinati all'impiego in DUNE. A tale scopo è stato realizzato, nei laboratori INFN, un sistema per il test di tali dispositivi in criogenia su larga scala. L'attività di tesi ha previsto la caratterizzazione di diversi SiPM sia a temperatura ambiente sia in criogenia e l'analisi delle distribuzioni statistiche dei parametri di diversi campioni di SiPM.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Silicon oxide nitride (sion) films per applicazioni fotovoltaiche

La ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sullo studio di materiali con energy gap più ampio del silicio amorfo a-Si per ridurre gli assorbimenti parassiti all'interno di celle fotovoltaiche ad eterogiunzione. In questo ambito, presso l'Università di Costanza, sono stati depositati layers di silicon oxynitride amorfo a-SiOxNy. Le promettenti aspettative di questo materiale legate all'elevato optical gap, superiore ai 2.0 eV, sono tuttavia ridimensionate dai problemi intrinseci alla struttura amorfa. Infatti la presenza di una grande quantit a di difetti limita fortemente la conducibilita e aumenta gli effetti di degradazione legati alla luce. In quest'ottica, nella presente tesi, sono stati riportati i risultati di analisi spettroscopiche eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna su campioni di silicon oxynitride nanocristallino nc-SiOxNy, analisi che hanno lo scopo di osservare come la struttura nanocristallina influisca sulle principali proprieta ottiche e sulla loro dipendenza da alcuni parametri di deposizione.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Film di silicon oxinitride (sion) per applicazioni fotovoltaiche, studio di transizioni ottiche.

I materiali per applicazioni fotovoltaiche hanno destato un interesse crescente nella comunità scienti�ca negli ultimi decenni. Le celle HIT (Het- erojunction Intrinsic Thin Layer ) sono dispositivi di ultima generazione che hanno raggiunto e�cienza elevata mantenendo bassi i costi di pro- duzione, e impiegano silicio amorfo (a-Si) come strato emettitore per il suo buon assorbimento della luce e silicio cristallino come regione attiva. La struttura amorfa del silicio presenta però una bassa conducibilità, oltre ad e�etti di degradazione che limitano considerevolmente la durevolezza di una cella. Per questo motivo si stanno cercando possibili alternative al silicio amorfo, in particolare strutture multifase e composti di silicio, ossigeno ed azoto. In questo lavoro sono esposti i risultati dell'analisi di sottili lay- er di Silicon Oxynitride ossigenato (SiOx Ny :H), in forma microcristallina, deposti tramite PECVD (P lasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) su vetro presso l'università di Costanza. La forma microcristallina è una distribuzione di agglomerati cristallini dell'ordine di grandezza di un mi- crometro in una matrice di silicio amorfo, e attualmente le sue proprietà ottiche ed elettroniche non sono ancora state studiate in maniera appro- fondita. Nonostante ciò, è invece evidente che la fase microstallina non presenta tanti difetti intrinseci come la forma amorfa e ne è quindi una val- ida alternativa. In questa ottica, si è svolto uno studio sperimentale delle proprietà ottiche di layers in forma microcristallina di SiOx Ny :H, quali la misura del gap energetico. I risultati sperimentali, volti a trovare la dipen- denza delle caratteristiche dai parametri di deposizione dei layers, hanno mostrato una riduzione del gap energetico con la concentrazione di N2 O, uno dei gas precursori utilizzati nella deposizione dei layers in camera di processo. In conclusione si può dire che il μc−SiOx Ny :H ha le buone carat- teristiche tipiche dei semiconduttori cristallini, che unite alla possibilità di regolare il valore del gap energetico in base alle scelte in fase di deposizione, gli conferisce buone prospettive per applicazioni in celle fotovoltaiche, come emettitore in celle ad eterogiunzione.

Misure di risoluzione temporale di SiPM

In questa si riportano i risultati di uno studio di rosoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM)

Characterization of integrated Bragg gratings in silicon-on-insulator

Silicon-on-insulator (SOI) is rapidly emerging as a very promising material platform for integrated photonics. As it combines the potential for optoelectronic integration with the low-cost and large volume manufacturing capabilities and they are already accumulate a huge amount of applications in areas like sensing, quantum optics, optical telecommunications and metrology. One of the main limitations of current technology is that waveguide propagation losses are still much higher than in standard glass-based platform because of many reasons such as bends, surface roughness and the very strong optical confinement provided by SOI. Such high loss prevents the fabrication of efficient optical resonators and complex devices severely limiting the current potential of the SOI platform. The project in the first part deals with the simple waveguides loss problem and trying to link that with the polarization problem and the loss based on Fabry-Perot Technique. The second part of the thesis deals with the Bragg Grating characterization from again the point of view of the polarization effect which leads to a better stop-band use filters. To a better comprehension a brief review on the basics of the SOI and the integrated Bragg grating ends up with the fabrication techniques and some of its applications will be presented in both parts, until the end of both the third and the fourth chapters to some results which hopefully make its precedent explanations easier to deal with.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Looking for silicene: studies of silicon deposition on metallic and semiconductor substrates

Nel presente lavoro espongo i risultati degli esperimenti svolti durante la mia internship all’Institut des NanoSciences de Paris (INSP), presso l’Università Pierre et Marie Curie (Paris VI), nel team "Phisico-Chimie et Dynamique des Surfaces", sotto la supervisione del Dott. Geoffroy Prévot. L’elaborato è stato redatto e in- tegrato sotto la guida del Dott. Pasquini, del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. La tesi s’inserisce nel campo di ricerca del silicene, i.e. l’allotropo bidimensionale del silicio. Il cosidetto free-standing silicene è stato predetto teoricamente nel 2009 utilizzando calcoli di Density Functional Theory, e da allora ha stimolato un’intensa ricerca per la sua realizzazione sperimentale. La sua struttura elettronica lo rende particolarmente adatto per eventuali appli- cazioni tecnologiche e sperimentali, mentre lo studio delle sue proprietà è di grande interesse per la scienza di base. Nel capitolo 1 presento innanzitutto la struttura del silicene e le proprietà previste dagli studi pubblicati nella letteratura scientifica. In seguito espongo alcuni dei risultati sperimentali ottenuti negli ultimi anni, in quanto utili per un paragone con i risultati ottenuti durante l’internship. Nel capitolo 2 presento le tecniche sperimentali che ho utilizzato per effettuare le misure. Molto tempo è stato investito per ottenere una certa dimistichezza con gli apparati in modo da svolgere gli esperimenti in maniera autonoma. Il capitolo 3 è dedicato alla discussione e analisi dei risultati delle misure, che sono presentati in relazione ad alcune considerazioni esposte nel primo capitolo. Infine le conclusioni riassumono brevemente quanto ottenuto dall’analisi dati. A partire da queste considerazioni propongo alcuni esperimenti che potrebbero ulteriormente contribuire alla ricerca del silicene. I risultati ottenuti su Ag(111) sono contenuti in un articolo accettato da Physical Review B.

Studio di scintillatori accoppiati a SiPM per un tracciatore di particelle cariche

Negli esperimenti con particelle elementari si rende spesso necessario misurarne l’impulso e discriminare il segno della carica con l’ausilio di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce nell'attività preliminare per la realizzazione di uno spettrometro per muoni con impulso nell'intervallo 0.5-4 GeV, posto all'interno di un campo magnetico in aria. Il prototipo di tracciatore su cui sono state condotte le misure presentate in questa tesi è costituito da diversi piani di barre di scintillatore plastico accoppiate a fotomoltiplicatori al Silicio. Le misure di laboratorio sono state finalizzate a determinare la risoluzione spaziale del prototipo a partire dai segnali di muoni cosmici nelle barre di scintillatore. Dalla ricostruzione delle tracce dei muoni è stata determinata una risoluzione spaziale migliore di 2 mm, che risulta adeguata per lo spettrometro che si vuole realizzare.