Γενικά περί ΜιονίωνΓενικά περί Μιονίων

• Τα πλέον ενεργητικά σωματίδια στο επίπεδο της θάλασσας• Μικρή αλληλεπίδραση με ιονισμό

Εύκολα φτάνουν στο επίπεδο της θάλασσας

3

2

g Μ

Αλληλεπίδ

ήκος Αλλη

ρ(g/cm ) μή

λεπίδρασης

κρασ

cm

η ος(cm)

2Ρυθμός απώλειας ενέργειας :

Κατακόρυφα μιόνια χάνουν κατά μέσο όρο στην

ατμόσφαιρα και φτάνουν στο επ

2MeV

ίπεδ

2Ge

ο θ

ανά

αλάσ

g/

σης

V

cm

με :

2Μέση Ενέργεια Μέσο ΡυθμE 4 1 μιόνιο όκαι rate αν cm miά ά nαν GeV

Διάσπαση ΜιονίουΔιάσπαση Μιονίου

0Χρόνος Ημιζωής (half-life): 2.2 t s 22 2 2

2

2

Κινητική Ενέργεια :

1

m cK m c m c m c

c

της ατμοσφαιρικής μάζας μέχρι 99.9% 108Km

Για μέση ενέργεια 4 και 0.1K GeV m GeV

41

0 Στο εργαστήριο 41 2.2 90 : t t s s

Εμβέλεια χΕμβέλεια χ 83.0 10 /c m s

8 6(3.0 10 / ) (90 10 ) 27m s s Km

Ανίχνευση ΜιονίωνΑνίχνευση Μιονίων

Σπινθηριστής Φωτοπολλαπλασιστής

Ενισχυτής

Επεξεργασία σήματος

Ζώνη αγωγιμότηταςΖώνη αγωγιμότητας

Ζώνη σθένουςΖώνη σθένους

Διέ

γερ

ση

Διέ

γερ

ση

ΠαγίδεςΠαγίδες

gE

Σπινθηρισμός

(200 - 600 )nm

οπήοπή

ηλεκτρόνιοηλεκτρόνιο

ImpuritiesImpurities

1

5 10r

fwhm

t ns

t ns

t

/dN dt

Φωτοπολλαπλασιαστής Φωτοπολλαπλασιαστής

Αρχή : Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο : E h ++

Πολλαπλασιασμός ηλεκτρονίωνΠολλαπλασιασμός ηλεκτρονίων

Ο Φωτοπολλαπλασιαστής λειτουργεί ως πηγή ρεύματος με :

: Κέρδος φωτο/στή, #φωτοηλεκτρονίων από την κάθοδο

χρόνος αποδιέγερσης σπινθηριστή

s

s

t

s

GNeI e

G N

R C

Ισοδύναμο κύκλωμαΙσοδύναμο κύκλωμα

ΦωτοπολλαπλασιαστήΦωτοπολλαπλασιαστή

V

( )V dV

I t CR dt

( ) ,

,

s

s

t t

s

st

ss

GNeRe e

V t

GNeRte

610 , 100, 10 , 10sG N ns C pF

1 , 100ns R 10 , 1ns R k

30 , 3ns R k

100 , 10ns R k

10 , 1s R

( )V t

t

TDC: Time to Digital ConverterTDC: Time to Digital Converter 1 1

•TDC TDC χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση διαστημάτων χρόνου με μεγάλη ακρίβειαχρησιμοποιούνται για τη μέτρηση διαστημάτων χρόνου με μεγάλη ακρίβειαΜετρά χρόνους μεταξύ δύο γεγονότων (start σήμα – stop σήμα)Μετρά μικρά χρονικά διαστήματα με μεγάλη ακρίβειαΌπως ένα χρονόμετρο που μετρά χρόνους αθλητών

startstart

stopstop

•Χρονική αναφοράΧρονική αναφοράΧρόνοι αναφορικά με ένα ρολόι ακριβείας (π.χ GPS)Σχετικοί χρόνοι γεγονότων που ακολουθούν το ένα το άλλοσαν να μετράμε ώρες χωρίς να έχει το ρολόι μας αναφορά στο 12 ωρο ή 24 ωρο

•Ειδικές ανάγκες στον τομέα της φυσικής υψηλών ενεργειώνΕιδικές ανάγκες στον τομέα της φυσικής υψηλών ενεργειώνΠολλές χιλιάδες κανάλιαΠολύ υψηλοί ρυθμοί σωματιδίων Πολύ υψηλή διακριτική ικανότητα

•Άλλες εφαρμογές Άλλες εφαρμογές laser/radar (π.χ. μέτρηση αποστάσεων, ταχύτητας αυτοκινήτων)

TDCTDC 2 2Βασικές αρχές λειτουργίαςΒασικές αρχές λειτουργίας

CounterClock

RegisterHit

Reset

Time tagging type

CounterClock

Start Stop

Start-stop type

Register

Start

Stop

Delay chain with non-inverting gates

Register

PhaseClock

Hit

Delay Locked Loop

Cable delay chain

R

C

R

C

R

C

R

C

V

t

RC delay chain

• Καταμετρητές – Πλεονεκτήματα

• Απλός• Ψηφιακός• Μεγάλη δυναμική περιοχή• Εύκολο να ολοκληρώσουμε πολλά κανάλια

– Μειονεκτήματα• Περιορισμένη διακριτική ικανότητα (1ns in modern CMOS

technology)• Μετασταθείς καταστάσεις ( use of Gray code counter)

• Τύπου Γραμμής Καθυστέρησης – Αλυσίδα καθυστέρησης καλωδίων (κατανεμημένο L-C)

• Πολύ καλή διακριτική ικανότητα ( 5ps mm)• Δύσκολη ολοκλήρωση σε VLSI κυκλώματα

– Απλή αλυσίδα καθυστέρησης με χρήση ενεργών “πυλών”• Καλή διακριτική ικανότητα ( ~100ps στις σύγχρονες τεχνολογίες

0.18nm )• Περιορισμένη δυναμική περιοχή (μακρές γραμμές καθυστέρησης

και καταχωρητές)• Μόνο start-stop τύπου• Μεγάλες διακυμάνσεις μεταξύ chips με τη θερμοκρασία και την

τάση τροφοδοσίας– Delay locked loop

• Self calibrating using external frequency reference (clock)• Allows combination with counter (see later)• Delicate feedback loop design (jitter)

– R-C αλυσίδα καθυστέρησης • Πολύ καλή διακριτική ικανότητα• Αλυσίδες καθυστέρηση με απώλειες: μικρές αλυσίδες• Μεγάλη ευαισθησία στις παραμέτρους επεξεργασίας και την

θερμοκρασία

Και διάφορες άλλες τοπολογίες

HPTDC architecture

PLL

320MHz

160MHz

40MHz

Mux

DLL

Coarse counter

Hit register 0

Hit register 1

Hit register 2

Hit register 3

Hitcont.

R-C

R-C

X 8

Channelarbitration

EncodingOffset adjust

L1 buffer 256

Reject counterTrigger matching

Match window

X 4

Bunch count

Event count

Trigger interface

Trigger FIFO

Trigger matchingcontrol

16

Readout FIFO

Round Robin

JTAG:Boundary scanProgrammingMonitoringStatusProduction test

Error monitoring:MemoriesState machinesMeasurementsProgrammingJTAG

Readout interface

Parallel Byte Serial

256

Clock(40MHz)

Hit[31:0]

Trigger

Resets

JTAG

Token-in Token-outReadout

32 15 bit

TDCTDC 2 2High Performance TDCHigh Performance TDC

0.25 μm CMOS Τεχνολογία

1 εκατομμύριο τρανζίστορς

225 ball grid array package

Διαστάσεις 6.5 x 6.5 mm

Κανάλια 32

High resolution: 98ps

Very high resolution: 24ps (8 channels)

Επεξεργασία Σήματος 2 Επεξεργασία Σήματος 2

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

Ax10Ax10

DiscriDiscri

DACDAC

FPGAFPGA

Coincidence logiceither before TDCor in FPGA depending on the trigger logic GPS

Sync

TDC Control

MicrocontrollerMicrocontroller++

USB 2.0 I/FUSB 2.0 I/F

PCPC

High Performance

TDCTDC8 channels8 channels

(~20ps (~20ps rmsrms resolution)resolution)