Università degli Studi di Perugia

Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria
Elettronica
Sviluppo di un setup laser ad elevata risoluzione spaziale per la
caratterizzazione di sensori di radiazione
LAUREANDO
RELATORE
Daniele De Angelis
Prof. Daniele Passeri
CORRELATORE
Prof. Leonello Servoli
Anno Accademico 2006 - 2007
Introduzione ............................................................................................................................... 6
Capitolo 1 ................................................................................................................................... 8
I Sensori di radiazione a stato solido.......................................................................................... 8
1.1 Principi di funzionamento di sensori di radiazione .......................................................... 8
1.2 I sensori di radiazione in tecnologia CMOS .................................................................. 13
1.2.1 Il pixel APS ......................................................................................................... 15
1.2.2 Il chip RAPS02 ................................................................................................... 16
1.2.3 Caratteristiche delle matrici APS....................................................................... 17
Capitolo 2 ................................................................................................................................. 22
Strumentazione......................................................................................................................... 22
2.1 Il banco ottico................................................................................................................. 22
2.1.1 Elementi meccanici ............................................................................................ 23
2.1.2 Elementi ottici..................................................................................................... 24
2.2 Driver del laser PDL 800-B............................................................................................ 25
2.3 Testa laser LDH-P-C-405............................................................................................... 26
2.4 Stadi traslatori motorizzati PI M-410-CG ...................................................................... 30
2.5 Scheda di test per il chip ................................................................................................ 32
2.6 Fotodiodo Det25K/M ..................................................................................................... 33
2.7 Oscilloscopio Agilent INFINIIUM 54831D MSO......................................................... 35
2.8 Schlumberger 4415 2 MHz Function Generator ............................................................ 36
2.9 HP 8082A Pulse Generator............................................................................................. 37
2.10 Personal Computer ....................................................................................................... 38
2.11 LabVIEW ..................................................................................................................... 39
2.11.1 L'hardware........................................................................................................ 40
2.11.2 Il software per l'acquisizione............................................................................ 41
2.11.3 Il software per il controllo dei motori............................................................... 43
2.12 Software elaborati per l’analisi dei dati........................................................................ 45
Capitolo 3 ................................................................................................................................. 46
Il Banco Ottico ......................................................................................................................... 46
3.1 Caratteristiche del banco ottico ..................................................................................... 46
3.1.1 Sorgenti Laser..................................................................................................... 47
3.1.2 Il laser come simulatore di particella ionizzante............................................... 51
3.1.3 Il cammino ottico del fascio laser ...................................................................... 53
3.1.4 La collimazione e focalizzazione di un fascio laser .......................................... 55
3.2 Come utilizzare il banco ottico per caratterizzare il laser .............................................. 59
3.2.1 Caratterizzazione geometrica della sorgente laser ............................................ 59
3.2.2 Caratterizzazione energetica della sorgente laser ............................................. 64
3.3 Come utilizzare il banco ottico per i test sul RAPS02 ................................................... 66
3.3.1 Verifica della collimazione ................................................................................. 67
3.3.2 Focalizzazione del fascio sul RAPS02............................................................... 68
4
3.4 Caratterizzazione del fascio a valle del cammino ottico ................................................ 69
3.4.1 Misura dello spot del fascio laser....................................................................... 70
3.4.2 Caratterizzazione della sorgente laser a valle del cammino ottico ................... 72
Capitolo 4 ................................................................................................................................. 76
Sviluppo di un software LabView per acquisizioni pianificate................................................ 76
4.1 Introduzione al software per acquisizioni pianificate .................................................... 76
4.2 Il modulo per il controllo degli stadi traslatori motorizzati PI M-410-CG .................... 77
4.3 Il modulo per l'esecuzione di operazioni pianificate...................................................... 82
4.3.1 La funzione Macro Block................................................................................... 83
4.3.2 La funzione MS .................................................................................................. 85
4.3.3 La funzione Path Block...................................................................................... 86
4.4 Esecuzione di una acquisizione pianificata.................................................................... 87
Capitolo 5 ................................................................................................................................. 93
Risultati ottenuti al banco ottico............................................................................................... 93
5.1 Caratterizzazione del rumore sulle matrici..................................................................... 93
5.2 Disallineamento del sensore RAPS02........................................................................ 95
5.3 Errore bidirezionale degli stadi traslatori motorizzati.................................................... 97
5.4 Analisi del crosstalk delle matrici APS ........................................................................ 98
5.4.1 Definizione di segnale ........................................................................................ 99
5.4.2 Analisi del crosstalk per la sorgente a 407nm (UV) ........................................ 100
5.4.3 Analisi del crosstalk per la sorgente a 1066 nm (IR) ...................................... 107
5.4.4 Stima efficienza quantica per sorgente a 407 nm (UV) .................................. 113
Conclusioni............................................................................................................................ 118
Sviluppi futuri........................................................................................................................ 119
5
Introduzione
Il progetto RAPS (Radiation Active Pixel Sensor) nasce dalla collaborazione tra la sezione di
Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e il Dipartimento di Ingegneria
Elettronica e dell’Informazione dell’Università di Perugia e il dipartimento di Ingegneria
dell’Informazione dell’Università di Parma. Scopo del progetto è sviluppare e caratterizzare
sensori di radiazione innovativi, ad alta risoluzione spaziale, basati su matrici di pixel APS
(Active Pixel Sensor) integrati in tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide
Semiconductor) e destinati ad applicazioni di fisica delle alte energie.
Tali sensori nascono dall’esigenza di studiare la validità di alcune teorie della fisica moderna
e la loro potenziale applicazione riguarderà la rivelazioni di vertice all’interno di un avanzato
acceleratore nucleare (LHC-Large Hadron Collider del Cern di Ginevra). La produzione a
livello industriale di sensori CMOS è stata avviata già da alcuni anni per applicazioni in
differenti settori (ad esempio: nell'imaging con sensori di radiazione nel visibile in
fotocamere e videocamere digitali, nell'automotive per sistemi di cruise control, nelle
applicazioni di sicurezza, macchinari biomedici). Questo tipo di tecnologia sta
progressivamente sostituendo tecnologie affini come i sensori CCD (Charge Coupled Device)
o i sensori SDD (Silicon Drift Device) o quelli a Microstriscia. Il più grande vantaggio dei
sensori CMOS è quello di poter realizzare un System-on-Chip, ovvero la possibilità di poter
integrare nello stesso substrato e addirittura all’interno di un singolo pixel della matrice sia
l’elemento fotosensibile sia la circuteria di elaborazione dati locale, che permette di avere
elevate prestazioni in termini di risoluzione spaziale e di potenza dissipata. Inoltre tale
tecnologia è in continuo sviluppo perché è la stessa utilizzata nella produzione su larga scala
di circuiti. Il lavoro svolto fino ad oggi nell’ambito del progetto RAPS ha visto la
progettazione e la caratterizzazione sia elettrica che funzionale di un primo prototipo di
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sensore (RAPS01) e la realizzazione di una seconda versione (RAPS02) che è ancora in fase
di caratterizzazione presso i laboratori INFN ed è l’oggetto di questa tesi. Più recentemente è
stata realizzata la terza versione del chip la cui caratterizzazione non è stata ancora avviata.
Questo lavoro ha lo scopo di sviluppare tramite un banco ottico - che permette di ottenere
precise informazioni circa l'energia generata da sorgenti laser e di avere un elevato controllo
sulla posizione di incidenza del fascio da esse generato - strumenti in grado di aumentare
l'efficienza con cui sono svolte le misure.
La presentazione del lavoro sarà così strutturata:
nel primo capitolo si introdurranno i principi di funzionamento dei sensori di
radiazione di tecnologia CMOS con particolare attenzione all’oggetto su cui si è
lavorato e cioè le matrici di pixel APS;
nel secondo saranno presentati la strumentazione e i dispositivi che sono stati
utilizzati, con l’intento di fornire un’informazione sintetica degli oggetti che vengono
via via nominati;
nel terzo verranno descritte le metodologie con cui e' stata caratterizzata dal punto di
vita energetico e spaziale la sorgente laser UV 407 nm e il setup del banco ottico,
evidenziando l’elevata risoluzione spaziale raggiungibile con i sistemi laser e
micromovimentazioni;
nel quarto verrà descritta la realizzazione di un software in grado di automatizzare le
misure svolte tramite il banco ottico;
nell'ultimo capitolo si forniranno i risultati ottenuti tramite il banco ottico con il laser
UV 407 nm. Si dimostrerà in particolare come con tali configurazioni si riesca ad
eccitare un solo pixel delle matrici APS. Si verificherà inoltre l'efficienza quantica a
queste lunghezze d’onda del RAPS02, sia tramite l'utilizzo della sorgente UV che
della sorgente IR 1066 nm e si analizzerà infine il fenomeno di crosstalk all’interno
delle varie strutture matriciali del sensore.
7
Capitolo 1
I Sensori di radiazione a stato solido
1.1 Principi di funzionamento di sensori di radiazione
Il principio che sta alla base del funzionamento di un sensore di radiazione visibile è l’effetto
fotoelettrico, già noto sin dalla fine del 1800 grazie agli esperimenti di numerosi scienziati,
anche se la spiegazione di questo fenomeno si deve soprattutto ad Albert Einstein che nel
1905 introdusse l’innovativo e rivoluzionario concetto dei “fotoni”. Nel suo libro “Teoria dei
quanti di luce” egli afferma :«Secondo l’ipotesi che voglio qui proporre, quando un raggio di
luce si espande partendo da un punto, l’energia non si distribuisce su volumi sempre più
grandi, bensì rimane costituita da un numero finito di quanti d’energia localizzati nello spazio
e che si muovono senza suddividersi, e che non possono essere assorbiti od emessi
parzialmente.» [Einstein][1]. I quanti d’energia o fotoni che compongono la radiazione
attraversando un materiale possono, con una certa probabilità, interagire con gli atomi che lo
compongono trasferendovi energia che si manifesta sotto forma di quantità di moto trasferita
all’atomo stesso o, se l’energia è sufficiente, gli elettroni più esterni possono assorbirne una
quantità che permette loro di “staccarsi” dall’atomo ed acquistare la restante sotto forma
d’energia cinetica. L’atomo diventa così uno ione (da cui il nome di radiazioni ionizzanti) e
l’elettrone, o meglio il foto-elettrone, come viene talvolta chiamato onde indicarne l’origine,
può viaggiare nel materiale sino alla ricombinazione o addirittura sfuggire da esso. Altri tipi di
radiazione ionizzante sono le particelle α e β emesse da isotopi radioattivi; gli effetti che si
producono al passaggio attraverso un sensore di silicio non sono molto dissimili da quanto
descritto per i fotoni, con generazione di cariche a seguito della ionizzazione degli atomi.
Da questo nasce l’idea di utilizzare sensori a stato solido per la rilevazione del passaggio di
particelle ionizzanti, ad esempio in esperimenti di ricostruzione della traiettoria delle
particelle emesse da collisioni prodotte da fasci accelerati. Il meccanismo di interazione delle
8
radiazioni ionizzanti con la materia varia a seconda della tipologia della radiazione incidente
ed anche della sua energia. Occorre innanzi tutto distinguere tra fotoni (quindi radiazione γ) e
particelle cariche (come le α e le β) [2] di cui in figura 1.1 che hanno un diverso potere di
penetrazione.
Figura 1.1 I diversi tipi di radiazione elettromagnetica: raggi alfa (basso potere di penetrazione nella materia),
radiazione beta e radiazione gamma (alto potere di penetrazione). Per quel che riguarda la radiazione γ si
possono verificare più tipi di interazione a seconda dell’energia del fotone incidente (Figura 1.2)
•
Effetto fotoelettrico
L’effetto fotoelettrico, già menzionato in questo paragrafo, è predominante soprattutto
a basse energie, fino a 50keV e abbraccia quindi lo spettro che va dall’infrarosso ai
raggi X fino ai più deboli raggi gamma [2].
•
Scattering Compton
In questo caso l’energia del fotone incidente si trasferisce in parte al fotoelettrone e in
parte va ad eccitare l’atomo, che la riemette sotto forma di un nuovo fotone γ meno
energetico con una direzione diversa da quella incidente Questo fotone può a sua volta
interagire con gli atomi del bersaglio [2].
9
Figura 1.2 Contribuiti dei diversi processi di iterazione fotone materia nel carbonio. In ascissa è riportata
l’energia del fotone incidente, in ordinata la sezione d’urto. I diversi processi sono mostrati all’interno del
grafico: σp.e.=effetto fotoelettrico atomico; σRayleigh=diffusione di Rayleigh; σCompton =diffusione di
Compton; Knuc= formazione di coppie a livello nucleare;ke= formazione di coppie in campo elettronico.
•
Produzione di coppie elettrone positrone
Quando l’energia del fotone è molto elevata può accadere che nella collisione la
perdita di energia si traduca nella formazione di una coppia di particella-antiparticella:
un elettrone ed un positrone. La quantità di energia necessaria per la formazione di
queste due particelle è di 1.02MeV, pari a quella della loro massa a riposo. L’energia
in eccesso si trasforma in energia cinetica della coppia e dell’atomo colpito. Mentre il
positrone ha una elevata probabilità di incontrare un elettrone e ricombinarsi,
riemettendo un fotone da 1.02MeV, l’elettrone della coppia costituisce una radiazione
in grado di ionizzare [2].
10
Per quanto riguarda le particelle cariche l’interazione si distingue in:
•
Perdita d’energia per collisione.
Per collisione si intende quella situazione in cui la particella arriva ad interagire in
maniera coulombiana con il bersaglio (elettrone o nucleo che sia). L’energia ceduta si
risolve in una eccitazione dell’atomo, che la dissipa emettendo un fotone o
ionizzandosi. Le particelle più pesanti come le particelle α interagiscono soprattutto
tramite questo meccanismo; la probabilità è più bassa per le particelle β che possono
però arrivare a collidere anche con gli elettroni più interni dell’atomo, per
conseguenza l’elettrone del bersaglio è strappato via, e questa vacanza viene colmata
con la ricaduta di un elettrone più esterno dando luogo alla emissione di un fotone [2]
•
Perdita per irraggiamento o radiazione di “frenamento” (Bremsstrahlung).
In questo caso il campo elettrico della particella in moto interagisce con quello degli
elettroni e dei nuclei del bersaglio trasferendovi energia. Quindi la particella è frenata
e deviata nel suo cammino tra gli atomi del bersaglio che acquistano energia a sue
spese e la riemettono di norma sotto forma di raggi X o ionizzandosi [2]. Una
particella che attraversa un sottile strato di materiale rilascia energia, a seconda della
specie e della sua energia, secondo una funzione che ha la forma mostrata in Figura
1.3 ed è rappresentata dalla seguente equazione :
dal cui grafico si nota come le curve presentano un minimo ad una certa energia
identificato come M.I.P.. Se si considera un materiale di un certo spessore come
formato da più strati sottili, una particella che lo attraversa avrà una certa probabilità
di interagire con gli atomi del primo strato perdendo così una certa quantità di energia.
Allo strato successivo si ripresenterà la stessa situazione, ma se la particella ha perso
energia nella fase precedente ci troviamo spostati di questa stessa quantità a sinistra
sulla curva di Bethe-Bloch e la quantità di energia che la particella perderà in questo
11
strato sarà quindi diversa rispetto al precedente (ad esempio maggiore se ci troviamo a
sinistra del minimo). Se lo strato fosse abbastanza spesso la perdita di energia
diventerebbe sempre maggiore sino ad arrestare il cammino della particella [2].
Figura 1.3 Perdita d’energia di una particella carica nell’iterazione con un materiale
•
La funzione che mette assieme tutti questi aspetti e che descrive come si distribuisce
probabilisticamente la perdita d’energia di una particella ionizzante che attraversa uno
strato di materia, è stata calcolata dal fisico Lev Davidovich Landau e prende il suo
nome (vedi Figura 1.4). Il cammino della particella può essere deviato dall’interazione
con la materia e tale deviazione è maggiore quanto maggiore è l’energia persa, da cui
ne consegue che un oggetto ad elevata energia non viene apprezzabilmente deviato da
un rivelatore sottile.
12
Figura 1.5 Densità di probabilità Landau
1.2 I sensori di radiazione in tecnologia CMOS
Lo sviluppo di sensori di radiazione a stato solido in silicio compatibile con i processi di
fabbricazione CMOS, ha avuto un inizio assai difficile. L’elevato drogaggio del substrato di
silicio su cui gli stessi vengono realizzati non permette un'efficace “conversione” e raccolta
della carica fotogenerata in un segnale facilmente gestibile per l’elettronica, a causa
dell’elevato rumore. Nonostante ciò l’idea di riuscire ad integrare su uno stesso chip i sensori
e l’elettronica d’elaborazione, ha fatto sì che non si abbandonasse mai questa strada. Grazie,
infatti, alla evoluzione della tecnologia di fabbricazione ed alla conseguente contrazione delle
geometrie dei dispositivi microelettronici (scaling) si è riuscito in breve tempo a ridurre le
dimensioni dei MOS, permettendo la realizzazione di sensori “attivi” (Active Pixel Sensors o
APS), sfruttando cioè la possibilità di portare in prossimità dell’elemento sensibile una parte
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dell’elettronica di amplificazione, a tutto vantaggio del rapporto segnale/rumore. Oggi la
tecnologia commerciale permette di costruire circuiti integrati con lunghezza di gate inferiore
ai 65 nm (figura 1.6). Questo tipo di tecnologia prevede quindi la possibilità di realizzare
sensori di tipo Sistem-On-Chip, permettendo l’integrazione contemporanea della parte
sensibile e della parte preposta per l’elaborazione dei dati sullo stesso substrato. Il sensore
predisposto presenta così una limitata superficie occupata e una ridotta quantità di potenza
dissipata e risulta ideale per la progettazione di un rilevatore di radiazione ionizzante ad alte
prestazioni.
Figura 1.6 Evoluzione della lunghezza del gate dei MOS prevista nei i prossimi anni
La riduzione del nodo tecnologico permette l’implementazione di amplificatori in grado di
compensare la bassa efficienza di raccolta, nonchè di implementare sullo stesso substrato i
circuiti di lettura ed elaborazione dei dati, sia digitale che analogica. E’ possibile ad esempio
creare sensori d’immagine che presentino in uscita l’immagine acquisita già digitalizzata e/o
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addirittura compressa. Inoltre i sensori APS, possiedono altri vantaggi: velocità di lettura
elevata (a differenza dei CCD) ed elevata tolleranza alla radiazione (ridotte dimensioni dei
transistor, ossidi molto sottili, possibilità di utilizzare architetture dedicate di tipo radiationresistant o enclosed gate) e c’è la possibilità di effettuare insieme il triggering (rilevamento
del passaggio di una particella) e il positioning (determinazione del punto d’impatto della
particella) [3]. Per i prossimi anni si prevede forte sviluppo della ricerca in questo campo,
soprattutto grazie agli ottimi risultati che la tecnologia CMOS ha finora raggiunto.
1.2.1 Il pixel APS
La struttura di un pixel APS, è riportato in figura 1.7 insieme al relativo layout. Si possono
notare in particolare il diodo che viene usato come elemento sensibile e tre transistor che
formano il circuito di preamplificazione locale del segnale (reset, amplificazione/buffer
dell’uscita, abilitazione alla lettura) tutto all’interno di pochi µm2.
Figura 1.7 Struttura elettrica e layout del pixel APS in un sensore in tecnologia CMOS.
Il funzionamento si basa sul principio dell’integrazione di carica. Al transistor di Mrst è
applicato un segnale periodico di reset, con un duty cycle all’incirca del 10%, in modo che
quando questo si mantiene ad un livello logico alto permette al diodo di polarizzarsi in inversa
e alla tensione al nodo FTD di raggiungere il valore di Vdd-Vth, con Vth la tensione di soglia
del transistore di reset. Quando il segnale di reset torna al livello logico basso (figura 1.8),
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dapprima la tensione del nodo scende di poche decine di mV, a causa degli accoppiamenti
capacitivi con il gate del MOS di reset e poi si mantiene praticamente costante, trascurando la
piccola diminuzione dovuta alla sola corrente al buio (dark current). Se invece passa
radiazione ionizzante, la tensione di FTD diminuisce sensibilmente, tipicamente di parecchie
decine di mV come mostrato nella figura 1.8. La variazione ottenuta viene riportata al nodo
OUT del source follower, dove viene letta la tensione, prima dell’applicazione successiva del
reset, ottenendo le informazioni sul passaggio della particella o della radiazione ionizzante[3].
Figura 1.8 Andamento della tensione al catodo del fotodiodo al passaggio di una particella β.
1.2.2 Il chip RAPS02
Nell’ambito del progetto RAPS, finanziato dall’INFN, il cui scopo è la realizzazione ed il test
di sensori di radiazione integrati in tecnologia CMOS e basati su matrici di pixel attivi per la
rivelazione di particelle ionizzanti, sono stati prodotti due prototipi di chip denominati
RAPS01 e RAPS02. Il lavoro che verrà presentato nei capitoli successivi riguarda il chip
RAPS02 che è attualmente in fase di test ed è quindi di questo prototipo che viene ora
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riportata la descrizione.
La tecnologia con cui è stato realizzato il chip RAPS02 è la UMC 0.18µm CMOS
Mixed/Mode 1P6M, senza strato epitassiale, scelta dettata tra l’altro dall’analisi dei risultati
delle simulazioni che avevano evidenziato un vantaggio in termini di formazione del segnale
rispetto alla tecnologia con strato epitassiale [3]. Nella figura 1.9 si possono vedere due
fotografie del chip RAPS02 in una delle quali sono evidenziate le matrici di pixel attivi
testate. Partendo dall’alto a destra si nota la matrice denominata G1P0 Large, evidenziata in
rosso, la matrice denominata G1P0 che è marcata in blu, la matrice denominata G1P1 in verde
ed una matrice di test più piccola evidenziata in giallo. Queste matrici non sono le sole nel
chip, ce ne sono altre che sono denominate WIPS e SHARPS acronimi per Weak Inversion
active Pixel Sensor e Self-resetting High gain Active Radiation Pixel Sensor. Si darà ora una
descrizione dettagliata delle matrici utilizzate durante questo lavoro, mentre per le altre si
rimanda a [4].
Figura 1.9 RAPS02 con evidenziate le diverse matrici utilizzate nei test.
1.2.3 Caratteristiche delle matrici APS
Il chip RAPS02 è stato dotato di diverse matrici perché in fase di progetto si è deciso di
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effettuare dei test su più soluzioni, al fine di determinare le configurazioni ottimali a seconda
delle specifiche applicazioni. In figura 1.7 è possibile osservare lo schema elettrico e il layout
del pixel APS che compone le matrici 32x32 all’interno del chip. La caratteristica tecnologica
che cambia nelle tre tipologie di pixel realizzate è la distanza tra pixel adiacenti (passo o
pitch) e l’utilizzo o meno in fase di processo del p-well–blocking layer. Quest’ultimo in
sostanza è definito da una maschera che modifica il profilo dei drogaggi con cui è realizzato il
fotodiodo. Nel caso in cui sia stata utilizzata, la tasca di tipo n del catodo risulta distanziata
dalla p-well in cui è realizzata l’elettronica di tipo NMOS e il contatto di anodo del diodo
stesso, cosicché il fotodiodo diventa lateralmente costituito da una giunzione del tipo
n+/p/p+[3]. In caso di assenza del p-well–blocking layer, invece, la p-well arriva sino a
contatto della tasca di tipo n. La caratteristica topologica invece riguarda la distanza reciproca
dei pixel. In una delle tre matrici 32x32 e nella 3x3, i pixel sono distanziati l’uno dall’altro di
12 µm, imponendo un passo della matrice che è poco al di sopra di 16 µm. La tabella 1.1
riassume le caratteristiche per le matrici testate mentre la figura 1.12 mette in risalto la
differenza topologica delle matrici a pixel con e senza spaziatura[3].
N° Pixel
G1P0Large
G1P0
G1P1
3x3
1024
1024
1024
9
Non Presente
Non Presente
Presente
Spaziatura 12 µm Presente
P-well-block
Non Presente
Non Presente
Presente
Presente
Anello di
Presente
Presente
Presente
Presente
polarizzaione
Tabella 1.1 Caratteristiche salienti delle matrici APS .
18
Figura 1.10 Particolare di layout relativo alla presenza o meno della spaziatura da 12 µm.
La filosofia che sta alla base delle scelte progettuali che sono state effettuate è quella di
variare un solo parametro per volta tra le varie matrici da testare cosicché lo stesso
esperimento ripetuto su diversi dispositivi può indicare quanto i cambiamenti influenzano il
funzionamento di tale dispositivo. Per quanto riguarda la lettura dei dati delle matrici, questa
avviene in due modi differenti. Una modalità chiamata statica prevede la selezione esterna
degli indirizzi di riga e colonna del pixel che si vuole leggere; fornendo il clock utilizzato per
il reset, si visualizza l’uscita del pixel selezionato. La seconda modalità (automatica) prevede
l’invio automatico da parte della logica di controllo degli indirizzi dei pixel, cosicché il
segnale di output venga inviato in maniera seriale in uscita. Ogni pixel viene letto ogni 1024
cicli di clock e ogni riga viene resettata alla fine della lettura dell’ultimo pixel che gli
appartiene. L’intero frame viene quindi completato dopo 1024 cicli di clock, dopodichè la
lettura ricomincia dal primo pixel [4].
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Figura 1.16 Il grafico riporta il meccanismo di lettura dei pixel con clock fornito dall’esterno e lettura
automatica della matrice.
La figura 1.13 mostra il meccanismo al variare del tempo e quindi in funzione dei cicli di
clock (ck) del dispositivo. I valori di tensione dei pixel di tutta una riga sono inviati
parallelamente ai 32 amplificatori posti sulle colonne, portando a livello logico alto la linea di
selezione corrispondente. I valori in uscita dagli amplificatori vengono poi convogliati verso il
buffer dell’uscita analogica e inviati a 32 comparatori che generano l’uscita digitale. In
modalità automatica il reset che ricarica i pixel viene generato dalla logica di controllo ed
inviato ai pixel riga per riga subito dopo la lettura. La caratteristica di trasferimento degli
amplificatori può essere modificata agendo sulla stringa di bit che pilota gli elementi necessari
alla loro alimentazione. Variando questi bit, infatti, si cambia la polarizzazione degli
amplificatori e quindi il loro punto di lavoro. Le configurazioni di polarizzazione che sono
finora state testate sono la lineare, ottima e new ottima; dai risultati di precedenti test si è
verificato che quella lineare permette di apprezzare l'effetto della radiazione direttamente al
fotodiodo ed è questa la modalità usata nel corso dei test oggetto di questo lavoro. Per
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maggiori informazioni riguardo alle modalità di lettura dei dati dalle matrici e alle
polarizzazioni degli amplificatori si rimanda a [4]. Infine, la matrice 3x3 ha le uscite dei nove
pixel indipendenti e disponibili su nove pin della scheda; non ha nessuna logica di scansione
automatica ed è generalmente utilizzata per testare i singoli pixel permettendo uno studio
temporale delle caratteristiche. Tuttavia per visualizzare contemporaneamente i segnali di
output della matrice si necessita di un oscilloscopio con elevata banda passante. Il suo utilizzo
è comunque strettamente legato all'attività di caratterizzazione della sorgente laser come
vedremo nei successivi capitoli.
21
Capitolo 2
Strumentazione
Nel presente capitolo si vuole dare una descrizione dettagliata della strumentazione utilizzata
nella fase di test.
2.1 Il banco ottico
Nel laboratorio dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Università di Perugia è presente un banco
ottico utilizzato precedentemente per i test effettuati sul chip RAPS02. Tale banco è costituito
da un piano delle dimensioni di 120 cm per 90 cm, alto da terra 70 cm (STANDA modello
1HB09 -12-07, peso complessivo di circa 100 kg). Il piano è provvisto di fori che si trovano
agli angoli di un reticolo i cui quadrati misurano 2,5 cm per lato. È possibile fissare i supporti
e i binari che permettono l’utilizzo degli elementi ottici su questo sistema di fori (figura 2.1).
Il piano è chiuso in una struttura metallica a forma di parallelepipedo (117x88x80 cm) che
permette di isolare il contenuto del banco ottico dall’ambiente esterno sia relativamente alle
onde elettromagnetiche esterne (ponendo a massa la struttura) sia, cosa ancora più importante
per i test effettuati, dalla luce ambientale. La struttura ha quattro pareti fisse: tre laterali
verticali e una orizzontale in alto. L’ultima parete è fissata con quattro viti con la testa a
manopola, che ne rendono agevole lo smontaggio per l’accesso al piano. Una delle pareti più
corte presenta un’apertura dalla quale è possibile far entrare all’interno del banco ottico tutti i
cavi necessari al funzionamento del setup (alimentazioni,segnali di clock, cavi per
l’acquisizione dei segnali ecc.).
22
Figura 2.1Tavolo STANDA 1HB09-12-07, di dimensioni 120x90 cm, peso circa 100 kg.
Questa struttura è stata costruita presso l’officina meccanica del Dipartimento di Fisica come
anche il supporto, che permette di sostenere il piano del banco ottico, fornito di piedini di
gomma per isolare dalle vibrazioni del pavimento tutto il sistema[2]. Per maggiori dettagli si
rimanda alla tesi [5]. I supporti utilizzati per fissare e rendere agevole il movimento degli
elementi ottici per la costruzione dei cammini ottici utilizzati in fase di test sono prodotti dalla
PI (Physik Instrumente).
2.1.1 Elementi meccanici
Per il bloccaggio e l’utilizzo delle ottiche sul banco si sono impiegati dei binari della PI. A
questi dispositivi è possibile agganciare agevolmente supporti per le ottiche tramite le slitte di
cui sono provvisti. Tali supporti sono formati da un tubo esterno (post holder) che contiene un
elemento interno (post) in alluminio in grado di scorrere telescopicamente all’interno del post
holder, in maniera da adattare facilmente l’altezza a cui dovrà lavorare l’elemento supportato
come visibile in figura 2.2. Il post holder è provvisto di manopole per il bloccaggio del post.
I post sono forniti di un perno filettato sul quale è possibile avvitare i vari supporti su cui sono
fissati gli elementi ottici. Nel corso dell’allestimento del banco ottico è stato necessario far
costruire dall’officina del Dipartimento di Fisica dell’Università di Perugia alcuni elementi
che hanno agevolato il posizionamento dei diversi gruppi ottici. Sono molto utili anche gli
23
stage traslatori utilizzati per il microposizionamento degli elementi. Questi sono formati da
slitte in grado di scorrere su un elemento che è possibile fissare al banco ottico e che hanno un
sistema di micromovimentazione con un range massimo di 1,5 cm e un passo minimo
leggibile su una scala graduata di 10 µm[2].
Figura 2.2 Post holder e post. Si notano le manopole per il bloccaggio del post, il perno filettato e la slitta con il
sistema di aggancio al binario del banco ottico.
2.1.2 Elementi ottici
Si darà ora una descrizione sommaria dei vari elementi ottici utilizzati per i test. Per l’utilizzo
che si è fatto di ogni elemento si rimanda al capitolo relativo alla descrizione dell’allestimento
del banco ottico.
•
Lente LINOS 31 2328 (329) (materiale N-BK7), la distanza dalla superficie piana alla
quale si forma l’è di circa 980 mm nel visibile e 1000 mm @ 1.06 nm; con il
montaggio 06 3828, DIA 25.4 mm, il diametro utile del montaggio è 24 mm[2];
24
•
obiettivo plan apocromatico Nachet modello N-20×-APO-IR, elemento che garantisce
la bidirezionalità dei raggi luminosi, corretto per annullare la curvatura del campo
visivo e minimizzare le aberrazioni cromatiche e geometriche[2];
•
Filtri Thorlabs serie NDA (materiale BK7), con diametro di circa 25 mm e spessore di
circa 1 mm (senza il supporto) con banda di lavoro compresa tra 350 nm e 1200 nm, i
filtri a disposizione permettono di fornire attenuazioni tra 1dB e 40dB.
2.2 Driver del laser PDL 800-B
L’impulsatore scelto per pilotare la testa laser è prodotto da PicoQuant (figura 2.3) ed è
specificatamente progettato per pilotare diodi laser della serie LDH, LDH-C e PLS
subnanosecond pulsed LED fino ad una potenza di picco di poco più di 1 W, è in grado di
produrre impulsi della larghezza temporale di circa 50 ps utilizzando come trigger o un
segnale interno ricavato da un clock di 80MHz che può essere diviso per 1, 2, 4, 8 o 16
operando la scelta tramite un selettore sul pannello, oppure uno esterno tramite un ingresso
accessibile dal pannello frontale attraverso un BNC che presenta una impedenza di ingresso di
50 Ω ed accetta segnali compresi tra -5 V e +5 V, il livello di trigger è aggiustabile tra -1 V e
+1 V.
È anche disponibile un segnale di uscita che genera un impulso negativo in corrispondenza
dell’impulso laser (< −800mV su 50 Ω). L’intensità del laser è modulabile tramite una
manopola con scala da 0 a 10 con un passo di 0,01 u.a.[2].
25
Figura 2.3 Driver del laser PDL 800-B.
2.3 Testa laser LDH-P-C-405
La testa laser scelta è il modello LDH-P-C-405 di PicoQuant ( in figura 2.7) che è in grado
di generare impulsi con potenza di picco massima di 1,5 mW, con lunghezze d’onda centrate
a 407 nm e con una larghezza spettrale minima di 1,3 nm e una massima di 1,5 nm. La
durata temporale minima di un impulso è di 88 ps. Il diodo laser e' dotato di fibra ottica
monomodale alla quale è connesso tramite connettore FC. Anche la terminazione della fibra
ottica da cui esce la radiazione laser è dotata di connettore FC che ne ha reso agevole e saldo
l’aggancio al collimatore. La testa laser è stata caratterizzata sia sotto il profilo geometrico
che energetico. La metodologia con cui sono stati ottenuti questi risultati sarà esposta nei
capitoli successivi. Dal punto di vista geometrico si è misurato il profilo spaziale del fascio e
la sua divergenza angolare. Se si considera un sistema di riferimento cartesiano, dove Z è la
direzione di propagazione del fascio, le sezioni del fascio rispetto alle due coordinate X e Y
del piano perpendicolare a Z sono riportate in figura 2.4 e in figura 2.5.
26
Si può notare come tra i valori misurati e un fit gaussiano degli stessi, la differenza è in
termini tali da poter considerare il profilo del fascio gaussiano nelle due sezioni. Questo lo
rende adatto come vedremo agli scopi di questo lavoro.
Figura 2.4 Profilo fascio laser asse X, in blu i valori misurati, in verde
il loro fit gaussiano mentre in rosso la differenza tra fit e valori misurati
27
Figura 2.5 Profilo fascio laser asse Y, in blu i valori misurati, in verde
il loro fit gaussiano mentre in rosso la differenza tra fit e valori misurati
Considerate le buone approssimazioni ottenute, un profilo gaussiano del fascio ci permette di
utilizzare la deviazione standard del fit per valutare la simmetria della sezione del fascio
perpendicolare al cammino ottico e considerarla sostanzialmente circolare. Successivamente
si è valutata la divergenza del fascio all'uscita della fibra, si e' ottenuta una divergenza pari
0,072903 rad per l'asse X mentre una divergenza per l'asse Y pari a 0,084199 rad. Per quanto
riguarda il profilo energetico è stato misurato la quantità di energia emessa dalla sorgente
laser e quindi il numero di fotoni emessi, in funzione della manopola del driver laser PDL
800-B, i risultati sono in figura 2.6 e 2.8.
28
Figura 2.6 Energia emessa per singolo impulso dal laser in funzione
della intensità relativa della manopola del driver PDL 800-B.
Figura 2.7 Testa Laser UV
29
Figura 2.8 numero di fotoni emessi per singolo impulso dal laser in funzione
della intensità relativa della manopola del driver PDL 800-B.
2.4 Stadi traslatori motorizzati PI M-410-CG
Come stadi traslatori motorizzati si è scelto il sistema M-410-CG di Physik Instrumente ( in
figura 2.9) composti da tre carrelli identici di 30 cm dotati di slitte a precisione micrometrica,
due montati a costituire il piano trasversale (XY) di alloggio della board dove è collocato il
chip e agganciati all’ultimo, poggiato longitudinalmente sul piano di lavoro, in linea con
30
l’asse ottico (Z) del sistema. I tre motori sono pilotati tramite tre controller che si
interfacciano alla porta seriale di un PC ai quali è possibile inviare comandi di movimento
tramite un software dedicato fornito dal produttore (cfr. 2.13) oppure tramite un software
scritto in LabView, che costituisce parte del lavoro di questa tesi (si rimanda al capitolo 4 per
una trattazione più approfondita). Il movimento minimo con cui questi traslatori riescono a
spostarsi è di 0,2 µm con un passo di 0,0035 µm. L’errore di posizionamento dipende dal
movimento che si fa compiere ai motori[2].
Sono infatti definiti due tipi di errore di ripetibilità da datasheet:
•
errore bidirezionale max = 0,1 µm (point1 → point2 → point1), causato da
spostamenti che si susseguono non mantenendo una direzione unica di lavoro[2].
•
errore monodirezionale max = 0,2 µm (home → point1 → home →point2), causato
dal raggiungimento di una precisa coordinata permettendo al motore di tornare al
riferimento iniziale, per poi raggiungere il punto desiderato[2].
La differenza che intercorre tra le due modalità di moto risiede nell’errore di battuta vite,
commesso al primo movimento: prima che gli ingranaggi risultino in tensione, esiste un gioco
tra le filettature delle parti meccaniche.
Tale gap non si può assorbire continuando a muoversi nella stessa direzione dell’errore, in
quanto solo il movimento iniziale ne risulta affetto. Si tratta comunque di un errore ripetibile,
come è stato verificato durante le misure, quindi è stato possibile caratterizzarlo e correggerlo
in fase di elaborazione dei dati. La seconda modalità di movimento, invece, affligge ogni
moto dello stesso errore assoluto di battuta iniziale, eliminando in pratica l’errore relativo tra
tutti gli spostamenti[2].
31
Figura 2.9 Stadi traslatori motorizzati PI M-410-CG.
2.5 Scheda di test per il chip
Per alloggiare il chip RAPS02 ai fini della sua caratterizzazione elettrica e funzionale sono
state realizzate due schede a componenti discreti di tipo PCB (Printed Circuit Board), la
scheda più grande è quella che contiene il maggior numero di componenti elettronici ed è la
stessa utilizzata per il chip RAPS01; essendo simili le necessità dei due chip si è scelto di
riutilizzare la vecchia board progettando solo una scheda di interfacciamento tra
32
l’alloggiamento del RAPS01 ed il RAPS02 prelevando dai pin della prima board tutti i segnali
riutilizzabili (alimentazioni, clock, segnali di indirizzamento digitali). Non è nello scopo di
questa tesi una dettagliata trattazione della mappatura dei segnali per la quale si rimanda alla
tesi di Gino Cannistraro [6] e a quella di Daniele Biagetti [4] che affrontano il problema in
maniera più precisa e completa. Nella figura 2.10 si è
raffigurato il fronte e il retro
dell’insieme delle due schede. La schedina che permette l’innesto del chip è quella che
presenta i sei connettori BNC. Dietro questa scheda c’è un sistema di collegamenti
perpendicolare ai piani delle due schede che permette di collegare lo zoccolo per RAPS01 che
si trova sulla scheda più grande, con la scheda per RAPS02. Il “sandwich” delle due schede è
alloggiato su un supporto plastico che ne permette il fissaggio sui motori tramite viti[2].
Figura 2.10 Scheda per l’interfacciamento e il supporto di RAPS02. Nella fotografia a sinistra si nota la scheda
di adattamento della vecchia board progettata per il primo chip da cui esce il cavo a fascia; si nota in
particolare lo zoccolo nero su cui va innestato RAPS02. A destra il retro della scheda in cui è possibile notare
gli switch necessari per il controllo delle funzioni del chip.
2.6 Fotodiodo Det25K/M
Il dispositivo utilizzato nella caratterizzazione del laser (come descritto nei prossimi
capitoli) è il fotodiodo Det25K/M della Thorlabs (in figura 2.11). La tensione di lavoro è di 5
V, fornita tramite una batteria interna di tipo A23. Il fotodiodo risponde a lunghezze d'onda
comprese tra i 150-550 nm, con picco di risposta pari a 0.12 A/W a 440 nm. Il package
33
presenta: due fori filettati che permettono di fissarlo su un holder come quelli descritti
precedentemente, un tappo per l'alloggio della batteria, un connettore di tipo BNC chiuso su
50 Ω con tensione di uscita compresa tra 0 e 5V, un pulsante denominato VBIASOUT che
permette il controllo del livello di carica della batteria, inoltre è incluso un adattatore, delle
dimensioni di 1 pollice, removibile che permette il montaggio di filtri ottici e adattatori per
fibre (del tipo SMA, FC e ST ).
Il segnale di uscita del connettore BNC è pari alla foto-corrente in uscita dall'anodo del
fotodiodo ed è funzione della potenza (P) e della lunghezza d'onda del fascio luminoso
incidente (λ). La tensione di uscita può essere valutata tramite un oscilloscopio ed è
proporzionale alle grandezze suddette tramite la seguente :
VOUT = P * R(λ) * RLOAD
Dove la RLOAD consigliata e' appunto di 50 Ω per ottenere la massima efficienza spettrale e
la R(λ) è la responsività spettrale del fotodiodo (graficata nel datasheet ).
La precedente formula verrà utilizzata (come vedremo nei capitoli successivi) nella
caratterizzazione della testa laser:
Figura 2.11 Diodo Det25K/M della Thorlabs.
34
2.7 Oscilloscopio Agilent INFINIIUM 54831D MSO
Questo strumento (Fig. 2.12) dispone di quattro canali analogici con una larghezza di banda
di 600 MHz ed è in grado di raggiungere la frequenza di campionamento di 4GSa/s
utilizzando due canali oppure 2GSa/s nel caso si usino più di due canali contemporaneamente,
la memoria ha una profondità di 2 milioni di punti per ognuno di essi. Accanto ai quattro
canali analogici lo strumento dispone di un ingresso al quale è possibile collegare sino a 16
segnali digitali. Tra le dotazioni hardware troviamo un driver floppy, un lettore CD-ROM
l’interfaccia Ethernet, GPIB, seriale, USB, una tastiera ed un mouse ottico. Lo strumento è
provvisto di un proprio software per la gestione e l’utilizzo dell’hardware dedicato
all’acquisizione dei dati che girano sotto Windows XP. Questo sistema operativo è caricato
infatti nella macchina e si occupa di gestire il resto dell’hardware oltre che di offrire
l’ambiente grafico comune ai PC che lo rende di facile utilizzo e prontamente configurabile
per l’inserimento in LAN. Il software di acquisizione ed elaborazione dei dati acquisiti
possiede molteplici configurazioni di trigger ed una varietà di funzioni che permettono di
elaborare in tempo reale i dati acquisiti (Misure di frequenza, periodo, ampiezza, transitori,
FFT, integrazione, produzione di istogrammi ecc.). Si è dimostrato indispensabile sia nella
fase di collaudo che nelle successive sessioni di misura. La presenza di un hard disk interno
permette di salvare grandi quantità di dati in maniera del tutto automatica in relazione ad un
evento di trigger, caratteristica questa che ha permesso di lasciar operare lo strumento anche
per giorni per poi recuperare i dati acquisiti che vengono salvati in file a cui l’oscilloscopio
assegna un nome in base ad una stringa assegnata dall’utente ed un suffisso che è un numero
incrementato ad ogni salvataggio. Occorre dire comunque che, in fase di rilettura dei dati
salvati, è stato svelato un bug probabilmente di origine software.
35
L’anomalia si presenta quando si tenta di salvare i dati provenienti da più tracce in un file .txt
e porta ai seguenti errori: il file presenta una colonna di valori in notazione esponenziale per
ogni canale salvato, in cui: - il 1° canale è salvato correttamente - il 2◦ e 3◦ mancano
dell’ultimo campione - il 4◦ presenta tutti i valori slittati di una riga verso il basso ed il primo
campione è ripetuto due volte. Tale bug è stato risolto via software [2].
Figura 2.12 Agilent INFINIIUM 54831D MSO
2.8 Schlumberger 4415 2 MHz Function Generator
Il Schlumberger 4415 2 MHz Function Generator è un generatore di segnale in grado di
presentare in uscita alcune forme d’onda: quadra, triangolare,sinusoidale. La frequenza
massima a cui è in grado di lavorare è di 2 MHz. È possibile variare la frequenza della forma
d’onda, tramite un selettore di frequenza e un moltiplicatore; si può anche modificare il valore
medio delle forme ecc..[2].
36
2.9 HP 8082A Pulse Generator
Questo strumento (Fig. 2.13 ) è in grado di generare forme d’onda quadre o impulsive. Lascia
all’utente una grande libertà di impostazioni riguardo alle caratteristiche come il tempo di
salita, la curvatura del ginocchio, il dutycycle, l’ampiezza, l’offset ecc. che il segnale dovrà
assumere. E' in grado di generare segnali ad una frequenza massima di 500 MHz[2].
F
i
g
u
r
a
2
Figura 2.13 HP 8082 A Pulse Generator
2.10 Alimentatore GPC – 3030D
È un alimentatore della Good Will, modello GPC – 3030D (in figura 2.14) digitale con due
uscite variabili da 0V a 30V con corrente massima regolabile sino a 2A, che possono lavorare
indipendentemente, in serie ed in parallelo ottenendo le configurazioni:
Indipendenti
Serie
Parallelo
2 × 0 ÷ 30V, 2A max
0 ÷ 60V, 2A max
0 ÷ 30V , 4A max
Tabella 2.1 caratteristiche alimentatore GPC – 3030D
37
oltre ad una uscita fissa a 5V e 3A max. Sia il valore della corrente che quello della tensione
possono essere visualizzate sui due display da 3,5 cifre. Il rumore sulle alimentazioni fornite
varia a seconda della modalità in cui si utilizza lo strumento, sinteticamente:
-5V fixed output:
2 mV RMS
-Constant voltage operation: 1 mV RMS, 5Hz÷1MHz
-Constant current operation: 3 mA RMS
Figura 2.14 Alimentatore GPC- 3030D
2.10 Personal Computer
Il laboratorio è dotato di un PC su cui sono montate tre schede di acquisizione della National
Instruments: la PCI-DIO-96, la PCI-6503 e la NI 6014. Le caratteristiche di tale macchina
sono:
•
Processore:Intel Pentium 4 2000 MHz
Level 1 Cache: 8KB + 12KB (data + instr.)
Level 2 Cache: 512 KB
38
•
Motherboard: VIA TECHNOLOGIES, INC. P4X266E-8235
•
Memoria RAM: 1 Modulo 512MB PC2100 DDR SDRAM (Nanya Technology)
•
Memoria fisica:
1 Floppy 1.44 MB (3.5”)
HDD 1: 76.33 GB Maxtor 6Y080L0
HDD 2: 114.50 GB Maxtor 6Y120L0
•
CD/DVD : 48x PHILIPS CDD69Video:
•
Scheda video: ATI Radeon 7000 Series (RV100) 64 MB
•
Monitor: Samsung LCD 17 pollici11
•
Video:
Scheda video: ATI Radeon 7000 Series (RV100) 64 MB
Monitor: Samsung LCD 17 pollici
•
Sistema operativo:
MS Windows 2000 Professional (5.0.2195 Service Pack 4)
A questo PC sono inoltre collegati i quattro controller dei motori micrometrici (cfr. 2.4).
Questa macchina è stata quindi utilizzata per effettuare l’acquisizione dei dati e parte della
elaborazione mediante i software descritti nella prossima sezione[2].
2.11 LabVIEW
Dall’ing. Daniele Biagetti (cfr. [4]) è stato creato con LabVIEW di National Instruments un
software che permette di acquisire i dati delle matrici32×32. Tale software è stato ampiamente
utilizzato durante i test effettuati per questa tesi. Peraltro nel corso dei lavori è stato integrato
nel suddetto software un modulo aggiuntivo che permette il controllo dei motori tramite
39
istruzioni pianificate o macrooperazioni, il controllo manuale dei motori. Prima di descrivere
il software si darà una breve descrizione dell’hardware della National Instruments che
s’integra con LabVIEW per l'acquisizione[2].
2.11.1 L'hardware
La scheda utilizzata (E Series NI 6014., cfr. [7]) appartiene alla classe di schede di
acquisizione dati (DAQ) analogico/digitali, permettendo l’input e l’output di segnali sia
digitale che analogico. In particolare il dispositivo in questione possiede un connettore a 68
pin su cui sono presenti 16 linee di ingresso analogiche che possono funzionare come 16
canali separati con
un unico livello di riferimento (modalità NRSE con riferimento di
tensione sul pin AISENSE) o come 8 ingressi differenziali se usati in coppie (modalità DIFF)
con 16 bit di risoluzione. Vi sono inoltre due canali di uscita analogici sempre con 16bit di
risoluzione, e 8 linee digitali di I/O TTL compatibili. La figura 2.15 illustra lo schema a
blocchi del circuito di acquisizione della NI 6014 da cui si vede che le linee di ingresso
vengono multiplexate verso l’ADC ed il circuito di trigger analogico, da cui ne consegue che
i 200 kSa/s, che il produttore dichiara come la massima velocità di campionamento che
l’ADC ad approssimazioni successive può raggiungere, si dividono per il numero di canali
che si vuole acquisire. Il trigger su un canale analogico impone che l’acquisizione avvenga
solo su questo, ma si può usare, in alternativa, uno degli otto ingressi digitali. Ciò elimina tale
limitazione, queste otto linee infatti possono essere configurate sia come uscite che come
ingressi di determinati segnali di temporizzazione (quali trigger e sample clock)[2].
40
Figura 2.15 NI 6014 Analog input circuit
2.11.2 Il software per l'acquisizione
LabVIEW [7] è l’acronimo di Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench.
Si tratta di un linguaggio di programmazione visuale denominato G specificatamente orientato
allo sviluppo di strumenti virtuali, quindi all'acquisizione (ma anche alla generazione) di
segnali e alla loro visualizzazione ed elaborazione soprattutto a scopo di misura. Si integra
quindi perfettamente con le schede di acquisizione della NI e possiede una serie di strumenti
per la comunicazione con hardware di altro tipo (porte USB, RS232, LPT, schede sonore,
video ecc.). La programmazione come già accennato avviene per via grafica: l’ambiente di
sviluppo si compone infatti di un Block Diagram su cui si possono piazzare le funzioni che
permettono l’I/O e l’elaborazione dei dati accedendo agli elementi del pannello. Tutti questi
oggetti (funzioni comprese) appaiono come icone con ingressi ed uscite che si possono
collegare tramite “fili” creando così uno schema a blocchi nel quale in fase di esecuzione i
dati viaggiano da un blocco funzionale all’altro, dando vita all’applicazione di un Panel su
cui si possono posizionare gli oggetti attraverso il quale l’utente può interagire con il Virtual
Instrument (come interruttori, manopole, pulsanti ecc.) e vedere i risultati (grafici, indicatori
41
numerici, ecc.). Il flusso di programma è definito dalla maniera in cui i blocchi sono collegati
e si susseguono nel diagramma, tuttavia
è possibile - tramite appositi “Box” che
rappresentano le istruzioni condizionali (while, if, ecc.) - regolare la sequenza delle operazioni
semplicemente racchiudendo in essi parti di diagramma in funzione dei valori che assumono
le variabili o gli eventi che avvengono durante l’esecuzione del programma. La figura 2.13
mostra l’interfaccia del software per l’acquisizione utilizzato, che preleva il segnale generato
automaticamente dalla logica del chip impostato in lettura automatica della matrice attraverso
l’hardware National Instruments, descritto precedentemente. Attraverso questo segnale la
logica porta in uscita tutti i 1024 pixel con una frequenza impostata dal reset fornito
(tipicamente 50 kHz) che viene utilizzato come clock per l’acquisizione[2].
Figura 2.16 Interfaccia del software sviluppato in LabVIEW per l’acquisizione delle matrici APS 32×32.
42
L’applicazione visualizza lo stato dei pixel della matrice su un grafico 3D. La prima
operazione che viene eseguita appena si lancia l’acquisizione e' quella di calcolare su un
numero selezionabile di acquisizioni (impostato per default a 100) la media e la deviazione
standard per ogni pixel. Questo è il calcolo dei “piedistalli” cioè del valore medio della caduta
di ogni pixel al buio, che a causa di non idealità produttive non zero (come sarebbe
auspicabile) ed è differente da pixel a pixel. Le medie così calcolate vengono sottratte ad ogni
acquisizione per tentare di eliminare questa disuguaglianza tra i pixel[2].
La deviazione standard è misura dell’inevitabile rumore di varia natura che affligge i pixel.
Grazie a questo dato è possibile impostare un trigger per l’acquisizione che permetta di
memorizzare dati nei casi di eventi in cui esiste almeno un pixel della matrice che supera una
soglia pari alla deviazione standard moltiplicata per un fattore di copertura selezionabile. Il
software infatti permette di scrivere su disco le uscite delle matrici che superano il trigger
impostato. Le cadute dei pixel della matrice acquisita vengono salvate su file testuale con
valori in forma esponenziale e misurati in V disposti per riga. Non impostando nessuna soglia
di caduta vengono memorizzati tutti frame che vengono acquisiti. Prima dell’avvio
dell’applicazione è possibile scegliere la matrice da acquisire tra le tre matrici APS 32×32. È
possibile infine eliminare dal trigger colonne o righe che hanno comportamenti troppo
rumorosi[2].
2.11.3 Il software per il controllo dei motori
Il controllo dei motori può essere normalmente eseguito via PC tramite porta seriale, per
mezzo del software fornito dal produttore (PI Mercury NET Move). La realizzazione di un
software tramite LabView che possa gestire i motori fornisce il vantaggio di poter gestire
tramite la stessa interfaccia grafica acquisizione e movimentazione; inoltre risulta essere un
passaggio obbligato per l'integrazione di operazioni di acquisizioni pianificate, queste ultime
necessarie per un efficiente lavoro di misura. Ad esempio, prima dello sviluppo di questo
software, sono state realizzate delle misure che richiedevano tempi di acquisizione di qualche
ora e che normalmente comportavano l'esecuzione di una serie di operazioni ripetitive con
43
possibilità di errore umano proporzionali al tempo necessario alle misure stesse (il che porta
normalmente a riprendere le misure dall'inizio). Alcune misure non potevano inoltre essere
realizzate nell'arco di una giornata lavorativa, altre dovevano essere realizzate in momenti
della giornata in cui il rumore ambientale (le inevitabili vibrazioni del banco ottico dovute al
passaggio di auto o semplicemente i normali spostamenti di persone nelle vicinanze del banco
ecc..) fosse minimo. Il software
riproduce esattamente le funzionalità del software
PI
Mercury NET Move le cui funzionalità principali sono esposte nella tabella 2.2; in aggiunta
permette appunto l'esecuzione di operazioni pianificate sincronizzate con l'acquisizione. Ora
verranno elencate una serie di operazioni possibili sia tramite il software realizzato (la cui
trattazione completa è rimandata in seguito) che in quello fornito dai produttori degli stage
motorizzati:
PI Mercury NET Move
Software Labview
Comando
Parametro
Comando
Parametro
(tramite riga di
comando)
MR
N è negativo o
positivo
in
funzione della
direzione
di
movimento.
Premere un
dei due
pulsanti
direzionali
passo
espresso in
um(scelto
tramite
selettore )
(tramite riga di
comando)
DH
-
Premere
pulsante DH
Definisce la “casa”
(posizione 0) nella
posizione attuale
(tramite riga di
comando)
GH
-
Premere
pulsante GH
Riporta il motore
selezionato nella
“casa”
(tramite riga di
comando)
AB
-
Premere
pulsante AB
Blocca il movimento
del motore
(tramite riga di
comando)
TP
-
Presente
indicatore
sullo
schermo
Restituisce
la
posizione relativa del
motore
-
Muove il motore
selezionato
Tabella 2.2 comandi dei software per il controllo dei motori
44
2.12 Software elaborati per l’analisi dei dati
Per l’analisi dei dati è stato utilizzato prevalentemente MATLAB. Questo strumento ben noto
in campo ingegneristico, e non solo, si è andato arricchendo sempre più di nuove funzioni e
tool che gli permettono di spaziare in ogni campo si faccia uso di matematica, dalla biologia,
alla finanza, alla statistica. Il cuore del programma è un interprete di comandi, che implementa
accanto alle istruzioni condizionali (if, then, while, ecc..) una gestione dei dati molto potente.
Infatti, grazie soprattutto alla notazione vettoriale (non a caso MATLAB sta per MATRIX
LABORATORY), si possono manipolare matrici di dati in maniera agevole con una sintassi
piuttosto semplice ed intuitiva. La grande quantità di librerie di funzioni e strumenti di cui è
dotato (i cosiddetti TOOLBOX) sono all’origine della sua versatilità, inoltre la possibilità di
scrivere funzioni permette di crearsi librerie ad hoc per i propri scopi. A fronte della
semplicità di utilizzo e scrittura agevole e di alto livello delle funzioni, MATLAB presenta
una notevole lentezza di calcolo che lo rende inutilizzabile per grandi quantità di dati da
elaborare, salvo ingegnarsi (quando possibile) nella scrittura di algoritmi che cercano di
minimizzare la memoria RAM e la complessità delle operazioni[2].
45
Capitolo 3
Il Banco Ottico
In questo capitolo verrà illustrata la configurazione del banco ottico utilizzata durante i test sul
RAPS02. Verrà inoltre illustrata la metodologia con cui è stata caratterizzata la sorgente laser
UV utilizzata durante i test.
3.1 Caratteristiche del banco ottico
Lo scopo dei test eseguiti sul RAPS02 è quello di riuscire a determinare il limite di sensibilità
dell’oggetto al passaggio di particelle subatomiche. Nello specifico, si è cercato di
determinare la sensibilità al passaggio di una particella carica al minimo di ionizzazione
(MIP) (come descritto nel Cap. 1)[2]. L'idea alla base del setup che andremo a descrivere, è
di avere una configurazione del banco ottico con la quale sia possibile:
•
stimolare le matrici presenti sul RAPS02 con una quantità di energia nota;
•
controllare il numero di eventi che si possono raccogliere in una data unità di tempo;
•
avere la possibilità di stimolare una superficie molto piccola (nell'ordine dei µm),
simulando così l'effetto di una MIP;
•
avere la possibilità di stimolare zone del sensore con risoluzione micrometrica.
Quindi si è scelto di utilizzare una sorgente laser, che permette di soddisfare i primi due punti,
mentre l'utilizzo di un cammino ottico (che descriveremo a breve), in grado di focalizzare il
fascio laser su una superficie nell'ordine del micron, e l'utilizzo della movimentazione
micrometrica si adattano molto bene alle necessità espresse negli ultimi due punti.
46
3.1.1 Sorgenti Laser
Una sorgente laser emette grazie alla quantizzazione dei livelli energetici relativi agli orbitali
di un atomo. Un elettrone che si trova ad un livello energetico superiore a quello che occupa
in condizioni normali, si dice “eccitato” e tenderà naturalmente a saltare ad un livello
inferiore, perdendo sotto forma di fotone una quantità di energia uguale alla differenza
energetica tra i due livelli. La durata media del periodo in cui un elettrone rimane nello stato
di eccitazione viene detta tempo di permanenza ed è caratteristica di ogni materiale. Se
durante il tempo di permanenza l’elettrone viene colpito da un fotone di energia pari
all’energia di transizione, allora verrà spinto a cadere nel livello inferiore ed emetterà un
nuovo fotone che avrà necessariamente un’energia pari a quella del fotone che ha provocato la
transizione (emissione stimolata). Guardando il fenomeno dal punto di vista ondulatorio
(modellando cioè il fotone non come particella ma come onda elettromagnetica) si può
affermare che un elettrone eccitato che viene investito da un fotone emetterà un’oscillazione
coerente con quella incidente, ma di ampiezza amplificata; quindi a fronte di una emissione
spontanea (il primo fotone considerato), si formeranno 2 fotoni (il primo fotone più il fotone
emesso dal salto forzato), oppure a fronte di un’emissione ondulatoria spontanea, si formerà
un’oscillazione coerente ma di ampiezza amplificata. Nella figura 3.1 è illustrato il fenomeno.
Normalmente, in una sostanza all’equilibrio termico, gli elettroni che si trovano nello stato
eccitato non sono sufficienti per generare più fotoni di quanti non ne riassorba la sostanza
stessa, e quindi non si ha emissione. Per provocare un’emissione, occorre aumentare il
numero degli elettroni eccitati fornendo energia dall’esterno. Questo fenomeno viene detto
inversione di popolazione. L’emissione della luce avviene solo se c’è un’inversione di
popolazione tale che il numero di elettroni eccitati cresca più di quanto decada a causa
dell’emissione stessa. Oltre al fenomeno di inversione di popolazione, occorre avere un
qualche sistema che permetta di amplificare e concentrare l’emissione prodotta dalla sostanza.
L’emissione laser è legata alla selettività delle frequenze prodotte dalla particolare sostanza
eccitata. Senza un adeguato meccanismo di amplificazione la luce prodotta non sarebbe
sufficiente. Nel diodo laser, come nei comuni laser a gas, tale compito è assolto dalla cavità di
47
risonanza, che, riflettendo parte della radiazione sul mezzo stesso, determina una reazione a
catena attraverso la creazione d’interazioni elettroniche multiple, incrementando l’intensità
della radiazione emessa. Il numero di fotoni emessi cresce rapidamente, proporzionalmente
alla distanza percorsa nel mezzo dalla luce riflessa nella cavità. Ogni fotone in uscita dalla
cavità presenta stessa energia e fase, determinando l’elevata energia del fascio coerente
(interferenza costruttiva dei fotoni). In figura 3.2 è visibile l’aumento dell’energia in output
grazie alle continue riflessioni sugli specchi presenti nella cavità. Passando alle tecniche per
ottenere un' adeguata inversione di popolazione, occorre rilevare che l’energia termica non
aumenta il numero di elettroni eccitati rispetto al numero degli elettroni in banda di valenza e
per questo motivo aumentare l’energia termica di una sostanza non permette di produrre
emissione laser[2].
Figura 3.1 Emissione laser
Le strategie per avere inversione di popolazione sono molteplici e sfruttano quindi diversi
principi. Si limiterà per brevità alla trattazione esclusivamente del pompaggio elettrico
utilizzato nei laser a semiconduttore essendo di questa tipologia il dispositivo utilizzato nei
test. L’inversione di popolazione si genera sottoponendo il materiale al passaggio di una
corrente, con lo scopo di eccitare i portatori di carica (elettroni e coppie elettrone-lacuna) nel
piano di giunzione tra due regioni diversamente drogate.
48
L’emissione luminosa si concentra nel piano di giunzione per retroazione dalla faccia tagliata
del cristallo, come mostrato in figura 3.3.
Figura 3.2
funzionamento della cavità risonante
Figura 3.3 Diodo laser a semiconduttore
49
Il materiale attivo possiede un elevato indice di rifrazione, e quindi riflette buona parte della
radiazione sul cristallo ottenendo un guadagno d’intensità; la faccia tagliata può anche essere
levigata per un migliore controllo della riflessività.
Tipicamente un lato del cristallo è coperto da un materiale molto riflettente, tale che
l’emissione avvenga solo dal lato opposto. Le correnti impiegate in un sistema a
semiconduttore risultano inferiori (20 mA) di quelle usate, ad esempio, in un sistema laser a
gas. Un sistema laser è altamente inefficiente a causa del continuo apporto energetico
necessario per l’emissione. Parte dell’energia viene persa nella conversione da elettrica a
luminosa. Nei sistemi migliori ci si deve accontentare di un’efficienza del 10%; la
maggioranza dei sistemi ha un’efficienza che si attesta addirittura intorno all’1%.
Il fascio che esce da un diodo laser soffre principalmente di due aberrazioni: l’asimmetria e
l’astigmatismo. L’asimmetria è un difetto che rende la proiezione del fascio ellittica invece di
circolare. L’astigmatismo invece è un’aberrazione che si manifesta lontano dall’asse ottico:
una lente, o uno specchio, astigmatica trasforma un punto in un segmento che si dispone in
direzione radiale per una certa distanza di messa a fuoco e in posizione perpendicolare
all’asse ottico per una distanza diversa. Cioè quando prevale l’inclinazione del fascio sul suo
diametro, sia o non sia esso collimato, i raggi convergono invece che in un punto su due
segmenti s e t fra loro perpendicolari. Questo provoca la non perfetta focalizzazione del fascio
laser che avviene su più piani dipendenti dall ’asse che si sta guardando. Un fascio circolare e
non astigmatico prodotto da un diodo a semiconduttore non è ipotizzabile a causa della forma
della sorgente. Quando però il fascio viene fatto passare attraverso una fibra ottica, le due
deformazioni vengono eliminate. Infatti nella fibra ottica si propaga solamente il modo
TEM00. Il laser utilizzato per i test, esce in fibra e quindi è possibile assumere un profilo
gaussiano d’intensità e una forma circolare del fascio come visualizzato in figura 3.5; questa
ipotesi è poi stata verificata tramite la caratterizzazione della sorgente come vedremo nei
prossimi paragrafi.
50
Figura 3.5 Visualizzazione del profilo gaussiano del laser in uscita dalla fibra ottica
3.1.2 Il laser come simulatore di particella ionizzante
Occorre vedere a questo punto quali siano le caratteristiche necessarie per simulare gli effetti
del passaggio di una particella ionizzante sul silicio e quindi sui pixel del RAPS02. In
letteratura esistono numerosi lavori che riguardano questo tipo di simulazione, come [11] e
[12]. Si tenterà qui di delineare sinteticamente i risultati di tali studi su cui si è basata la
progettazione e la configurazione del banco ottico. Innanzitutto occorre che il fascio sia
focalizzato in uno spot sufficientemente piccolo affinchè si riesca a colpire una zona che sia il
più possibile delle dimensioni di quella stimolata da una particella ionizzante. È possibile
simulare la densità dei portatori di carica purchè il tempo considerato sia sufficientemente
lungo (<1 ns) e le dimensioni dello spot laser siano entro qualche micron. La dimensione
dello spot ottenibile dipende principalmente dalla dimensione della sorgente (core della fibra
ottica), dalla collimazione che si riesce a raggiungere e dalla lunghezza d’onda del laser;
51
minore è la lunghezza d'onda minore è la regione in cui si riesce a confinare il laser. La
collimazione e la focalizzazione saranno discusse successivamente quando verrà descritto il
cammino ottico utilizzato.
La dimensione ottima sarebbe comunque quella che permette di confinare la maggior parte
della gaussiana dello spot all’interno di un pixel (area sensibile 4, 4x4, 4 um2 come già
osservato nel Cap.1). I fotoni infatti riescono ad attraversare uno spessore di silicio solo se
hanno una determinata lunghezza d’onda, mentre le particelle ionizzanti attraversano senza
problemi il materiale purchè abbiano una energia minima[2]. Questa osservazione riflette
principalmente il fatto che la funzione di perdita dell’energia dei fotoni non è lineare ma
fortemente decrescente come mostrato in figura 3.6.
Figura 3.6 Perdita di energia del laser durante l’attraversamento del silicio in funzione della lunghezza d’onda.
Si è verificato che la sorgente laser IR utilizzata per i test sul RAPS02 (cfr. [2]) emette ad una
lunghezza d'onda (1066 nm) per cui il silicio può essere considerato quasi trasparente, ovvero
il fascio laser attraversa tutto lo spessore del singolo pixel con una minima attenuazione,
mentre per la sorgente UV (407 nm) la generazione avviene nei primi µm del silicio; questa
differenza si rifletterà, come vedremo in termini di crosstalk tra pixels.
52
3.1.3 Il cammino ottico del fascio laser
In questo paragrafo verrà descritto il setup che è stato utilizzato per ottenere la focalizzazione
del fascio laser, fornendo nel successivo le motivazioni teoriche che sono alla base di tale
configurazione. Il fascio laser esce da una fibra che termina con un connettore FC, il
connettore è fissato su di un supporto, dove è presente una lente collimatrice (vedi 2.1.2)
come mostrato in figura 3.7.
Figura 3.7 Collimatore, è possibile notare sulla sinistra la movimentazione micrometrica manuale; all'estremità
destra la lente collimatrice e il supporto per connettere la fibra.
L'utilizzo della movimentazione micrometrica permette di centrare l'uscita della fibra al
centro della lente (per maggiori dettagli sulla tecnica di centramento e realizzazione del
supporto si veda [2]) e di compiere poi spostamenti sul piano focale. Ad una certa distanza dal
collimatore è posto l'obiettivo della Nachet (cfr 2.1.2) anch'esso posto su di un supporto
dotato di movimentazione micrometrica che permette di centrarlo rispetto alla lente
collimatrice. È possibile fissare dei filtri di intensità alla lente collimatrice (cfr 2.1.2) ma il
loro ruolo non è legato alla generazione dello spot laser. Il setup del banco è schematizzato in
figura 3.8a, nella figura 3.8b si può osservare quello all'interno del banco.
53
Figura 3.8a Schema di principio del setup del banco ottico: da sinistra:la sorgente laser (Sorg),il collimatore
(Coll), un eventuale blocco di attenuazione (Att), l'obiettivo (Foc), il RAPS02 (Riv). Sono rappresentati inoltre
l'ingresso costituito dal driver del laser e le possibili uscite PC o oscilloscopio.
Figura 3.8b partendo da sinistra abbiamo: la fibra, il collimatore, l'obiettivo( posto su due holder che
sorreggono un supporto con la micromovimentazione manuale), la board del RAPS02. La board è fissata agli
stage traslatori (cfr 2.4) motorizzati.
54
3.1.4 La collimazione e focalizzazione di un fascio laser
Verranno ora descritti i fondamenti teorici che sono alla base della configurazione prima
descritta. Come appena visto il cammino ottico percorso dal fascio laser è costituito da due
lenti: la lente presente sul collimatore e la lente dell'obiettivo.
Nel progettare lo schema ottico per la manipolazione del fascio laser sono state considerate
verificate le seguenti ipotesi:
•
la lente è sottile; ciò significa che la larghezza della lente è piccola in confronto alle
distanze generalmente associate con le sue proprietà ottiche come lunghezza focale e
diametro.
•
il diametro della lente è grande abbastanza per far in modo che gli effetti dovuti al
troncamento (e quindi alla diffrazione) possano essere trascurati.
•
i fasci laser sono onde sferiche uniformi (propagazione isotropica) i cui raggi sono
uguali alla distanza dall’oggetto (o dall’immagine).
Nella figura 3.9 è schematizzata la creazione dell’immagine che una lente crea dalla parte
opposta della sorgente. Con riferimento a tale figura, è possibile scrivere la seguente
relazione:
detta equazione delle lenti gaussiane che lega s1 (distanza dell’oggetto dalla lente) e s2
(distanza dell’immagine dalla lente) a f. L’ultimo parametro (f) è detto lunghezza focale ed è
definito come la distanza tra la lente e il piano focale. Un altro parametro importante è
l’ingrandimento M dato dalla formula:
55
Figura 3.9 Creazione di un immagine da parte di una lente
Un’altra legge che è di estrema importanza nel campo dell’ottica è la cosiddetta legge
dell’invarianza ottica poiché:
allora si ottiene:
Questa legge fondamentale è vera solo se sono verificate le ipotesi prima enunciate, poichè è
necessario poter linearizzare i seni degli angoli, operazione possibile solo per angoli piccoli.
Una lente può essere usata per collimare un fascio perchè se si osserva ad una distanza finita
una sorgente luminosa di grandezza finita, la cui luce non viene fatta passare per alcun mezzo
rifrattivo, i raggi di propagazione di tale luce saranno divergenti dal punto in cui sorgono. Un
fascio luminoso si dice collimato quando i suoi raggi sono paralleli, formando uno spot di
dimensione costante. In pratica è come se fosse generato all’infinito o la sua sorgente avesse
dimensioni infinite. La figura 3.10 illustra il funzionamento della lente nella collimazione di
un fascio. Nello schema presentato, la sorgente luminosa è puntiforme. Lo schema mostra
inoltre come la lente non riesca a collimare perfettamente un fascio divergente, poichè il
fascio, una volta passato per il mezzo rifrattivo che forma la lente, dovrebbe rimanere limitato
56
in uno spot di dimensione costante. Tuttavia, a causa delle non idealità dei sistemi reali, ciò
non è possibile[2].
Figura 3.10 Collimazione di un fascio divergente
La collimazione di un fascio avviene ponendo la sorgente ad una distanza dalla lente pari alla
distanza focale. La legge che restituisce il raggio dello spot collimato è:
Non potendo essere nulla la divergenza del fascio prodotto dopo il passaggio per la lente si
ha:
Una lente può anche essere usata per focalizzare uno spot collimato. Si tratta dell’utilizzo
duale a quello appena illustrato come mostra la figura 3.11. La focalizzazione avviene con un
angolo di incidenza pari a:
e la dimensione massima dello spot è:
57
Queste equazioni pongono un vincolo alla massima focalizzazione possibile o, in altre parole,
alla minima dimensione dello spot focalizzato. Per diminuire ancora lo spot è necessario o
espandere lo spot collimato o diminuire la lunghezza focale f. Un altro modo per ottenere uno
spot di dimensione piccola è utilizzare un laser di lunghezza d’onda la più piccola possibile.
Dalla fisica infatti è noto che più piccola è la lunghezza d’onda di un laser, più piccolo è lo
spot focalizzato ottenibile[2]. Tale fenomeno è descritto dalla seguente relazione:
nella quale viene espressa la variazione del raggio del fascio laser w(z) in funzione della
coordinata in cui si propaga z. Lambda è la lunghezza d’onda del laser e w0 è il raggio del
fascio gaussiano letto in un grafico di distribuzione spaziale dell’intensità in corrispondenza
del valore pari a 1/e2 ovvero 0,135. Anche qui è bene ricordare che le equazioni mostrate sono
valide solo se è possibile applicare la linearizzazione delle funzioni trigonometriche e se i
fasci laser sono gaussiani. Il fascio utilizzato per i test di RAPS02 soddisfa, almeno in prima
approssimazione, tali caratteristiche[2].
Figura 3.11 focalizzazione di un fascio collimato
58
3.2 Come utilizzare il banco ottico per caratterizzare il laser
Il setup sopra descritto è frutto dell'esperienza e del lavoro svolto nei test preliminari sul
RAPS02, in particolare il lavoro di tesi dell'Ing. Tommaso Bianchi, usando una sorgente a
1066 nm (IR) e un sorgente a 773 nm (Visibile) (cfr.[2] e [3]). Prima di utilizzare la sorgente
a 407 nm (UV), tramite il setup precedente, è necessario caratterizzare il fascio laser sotto il
profilo energetico e geometrico, con lo scopo di verificare che il fascio abbia un profilo
gaussiano a simmetria circolare e di ottenere informazioni quanto più dettagliate sull'energia e
quindi sul numero di fotoni che vengono inviati al sensore. Quindi ora andremo a descrivere il
metodo e il setup utilizzato per la caratterizzazione. Come accennato nel primo capitolo si
utilizzerà nei successivi paragrafi un sistema di riferimento cartesiano, in cui Z è l'asse di
propagazione del fascio laser, mentre il piano perpendicolare al cammino ottico sarà
identificato con le coordinate XY.
3.2.1 Caratterizzazione geometrica della sorgente laser
Questa attività è riassumibile nella misura del profilo spaziale del fascio e della divergenza
angolare all'uscita della fibra. Queste misure sono svolte tramite il sensore stesso, l'uso degli
stages traslatori motorizzati, un supporto che permette di porre l'uscita della fibra di fronte al
sensore senza nessuna lente interposta, un oscilloscopio e due generatori di forme d'onda (cfr.
2). E’ stato già osservato come la matrice di test 3x3 non abbia una modalità di scansione
automatica. Bisogna quindi definire la configurazione in lettura per un pixel di questa matrice
in modo tale che l’impulso laser arrivi dopo che il segnale di reset abbia ricaricato il pixel. Per
fare questo sono necessari i due generatori di forme d’onda; uno che possiamo chiamare
master (cfr. 2.9) è impostato per generare un’onda quadra di frequenza 1kHz e pilota sia il
driver del laser che l’altro generatore di funzione abilitato tramite trigger esterno. L’uscita del
59
secondo generatore di funzione (cfr. 2.8) - slave - è impostato per generare un onda quadra
da inviare alla scheda del chip come segnale di reset in modo tale che per ogni fronte di
discesa dell’onda del master generi il segnale di reset. Allo stesso modo il driver del laser è
impostato per inviare l’impulso per ogni fronte di salita dell’onda del master. In figura 3.12
possiamo vedere il reset e l’onda quadra master.
Figura 3.12 Il segnale del generatore master in rosa e quello dello slave in viola
Realizzata questa configurazione che sincronizza il reset della matrice 3x3, si abilita l'uscita
analogica di uno dei 9 pixel della matrice tramite degli switch (per maggiori dettagli cfr. [4] )
e la si connette all'oscilloscopio (cfr 2.7). Si pone il sensore tramite gli stage traslatori
motorizzati ad una distanza di qualche milllimetro dall'uscita della fibra laser. Una volta
attivato il laser si compie uno scan preliminare rispetto a due assi (indicato con X o Y cfr. 2.3)
del piano perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio Z . Lo scopo dello scan
preliminare è individuare il massimo di caduta rispetto ai due assi e quindi centrare il picco
della gaussiana, rispetto al pixel della 3x3 di cui si sta monitorando l'uscita sull'oscilloscopio.
Tramite l'oscilloscopio si registrano le cadute di tensione del pixel; partendo dal picco si
sposta la matrice rispetto ad un asse (X o Y), utilizzando un passo di 25000 count (pari a
circa 87,5µm) fino a registrare la caduta minore ( considerando che l'ordine di grandezza del
60
rumore sui pixel è circa 1 mV), per poi tornare nella posizione di massimo e compiere la
stessa operazione nella direzione opposta (dello stesso asse). Con questa tecnica si sono
realizzate le misure in figura 2.4 e 2.5 che dimostrano che il profilo fascio approssima molto
bene una gaussiana a simmetria circolare. Si è eseguita poi lo stesso tipo di misura rispetto ai
due assi, allontanando il sensore rispetto all'asse Z di 150000 counts (pari a 5.25 mm), con lo
scopo di misurare la divergenza angolare del fascio all'uscita dalla fibra ottenendo i grafici in
figura 3.13, 3.14.
Figura 3.13 Profilo del fascio per l'asse Y all'uscita della fibra dopo lo spostamento di 5.25 mm
61
Figura 3.14 Profilo del fascio per l'asse X all'uscita della fibra dopo lo spostamento di 5.25 mm
Si è quindi trovato un allargamento del fascio dovuto alla sua divergenza. La divergenza è
stata determinata utilizzando la deviazione standard σ della gaussiana calcolata dall’algoritmo
di fit. Questo parametro è stato utilizzato come valore del raggio del fascio, poiché come noto,
tra (µ − σ) e (µ + σ) cade il 68,3% dell’energia.
Grazie alla trigonometria applicata al triangolo rettangolo che viene così a formarsi tra la
distanza tra la prima e la seconda misura (I cateto), la differenza delle σ misurate (II cateto) e
la congiungente dei bordi del fascio, si ottiene l’angolo di divergenza (Fig. 3.15) che vale
circa 72 mrad ±2.16 mrad per l’asse X e circa 84 mrad ±2.62mrad per l’asse Y.
62
Figura 3.15 Triangolo ricavato dalle posizioni in cui si misura la minima caduta di tensione sul pixel.
Questi valori di divergenza denotano una forma leggermente ovale della proiezione del fascio
sul piano di misura, che tuttavia può essere ricondotta alle non perfette inclinazioni reciproche
degli elementi sul banco ottico. In figura 3.16 e 3.17 sono riportati i grafici con il confronto
tra i profili del fascio alle due distanze.
Figura 3.16 Fit gaussiano delle misure rispetto all'asse X nelle due posizioni
63
Figura 3.17 Fit gaussiano delle misure rispetto all'asse Y nelle due posizioni.
3.2.2 Caratterizzazione energetica della sorgente laser
Verrà ora descritto come utilizzare il banco per misurare l'energia all'uscita della fibra laser e
quindi, in maniera equivalente, il numero di fotoni emessi in funzione della manopola
INTENSITY del driver laser (cfr. 2.2). Per questo tipo di misure sono stati utilizzati i seguenti
strumenti: il fotodiodo DET25K/M della Thorlabs (cfr. 2.6), l'oscilloscopio utilizzato
precedentemente, un generatore esterno di funzioni. La configurazione del Setup è la
seguente: si connette la fibra sul fotodiodo tramite un apposito connettore, si connette il
fotodiodo all'oscilloscopio tramite l'uscita BNC del fotodiodo, si configura l'impulsatore in
modo che sia pilotabile da un trigger esterno e si utilizza il generatore di forme d'onda in
64
modo che generi un'onda della frequenza di un 1 kHz; questo assicura che il fotodiodo integri
la carica relativa a un singolo impulso del laser. Eseguite queste operazioni si ruota la
manopola INTENSITY dell'impulsatore, fino a trovare quale sia il minimo valore di intensità
del fascio laser che il fotodiodo è in grado di rilevare (altro suggerimento puramente pratico è
di attendere qualche minuto, durante il quale si imposta la manopola al valore massimo e si
impulsa il laser con il trigger interno a 5-10 MHZ in modo che la testa laser vada a regime,
prima di eseguire queste misure). Quindi tramite l'oscilloscopio si registra la tensione in
uscita dal fotodiodo portando la manopola, a passi di 0,05 dal minimo rilevato dal fotodiodo
fino al massimo della manopola. L'analisi dei dati registrati parte dal datasheet del fotodiodo,
dove è presente un parametro chiamato RESPONSIVITY graficato in figura 3.18 A partire da
questo parametro come accennato nel capitolo 1, è possibile legare la tensione fornita in uscita
dal fotodiodo, prodotta da un segnale che colpisce la superficie sensibile dello stesso, con la
potenza del segnale. La responsività tiene conto di tutte le non idealità che vengono a
modificare la misura della carica, come la riflettività del fotodiodo o le perdite di energia
provocate dal package. Integrando la potenza sull' intervallo temporale di misura si ottiene
l'energia relativa al singolo impulso, nota l'energia e la lunghezza d'onda della radiazione
incidente tramite la : E=hν , è possibile ricavare anche il numero dei fotoni emessi dal
singolo impulso (cfr. 2).
65
Figura 3.18 Responsività del fotodiodo alle diverse lunghezze d'onda della radiazione
incidente nel caso di 407 nm è pari a circa 0,13 A/W.
3.3 Come utilizzare il banco ottico per i test sul RAPS02
In questo paragrafo verranno evidenziati i passaggi che permettono di utilizzare il banco
ottico per le misure eseguite sul sensore, utilizzando un setup come quello descritto nel
paragrafo 3.1.3 in particolare quelli che permettono di ottenere la focalizzazione del fascio
laser in uno spot adeguato alle misure che verranno presentate nel prossimo capitolo.
66
3.3.1 Verifica della collimazione
Una volta caratterizzato il laser, è possibile connettere la fibra al collimatore (vedi figura 3.7)
tramite l'apposito sostegno. Ora bisogna gestire la movimentazione micrometrica in maniera
da posizionare la lente. Questa operazione deve essere svolta con molta attenzione e ogni
volta che si cambia sorgente e quindi fibra connessa, quello che può sembrare corretto a
occhio nudo può essere un errore macroscopico rispetto alle dimensioni in gioco che sono
nell'ordine del µm. Una dettagliata descrizione delle operazioni di posizionamento è riportata
in [2] e [3]. Una volta eseguito questo passo preliminare è necessario verificare la
collimazione del fascio all'uscita della lente,( ricordando che l'angolo di divergenza all'uscita
della lente può essere molto piccolo ma mai nullo).
Come descritto precedentemente l'angolo di divergenza è legato alla lunghezza della focale
della lente, questa a sua volta varia con la lunghezza d'onda della radiazione che incide la
lente, che nel nostro caso è quella del fascio laser. In pratica il lavoro consiste nel trovare,
tramite l'utilizzo della movimentazione micrometrica manuale presente sul collimatore, il
valore per cui la divergenza angolare viene minimizzata. Con uno scan simile a quello
utilizzato per valutare il profilo del fascio si è cercato il picco di caduta di tensione sul pixel
centrale della matrice 3x3, ma in questo caso tra fibra e sensore è interposta la lente
collimatrice. Si è ripetuta diverse volte la procedura utilizzata nella caratterizzazione
geometrica, valutando quindi la divergenza del fascio variando la micromovimentazione che
gestisce la distanza lente-fibra-lente fino a trovare il valore minore di divergenza, per
approssimazioni successive. Il valore iniziale letto sulla vite era per la sorgente a 1066 nm
pari a 14,55 (vedi [2]) è logico e teoricamente corretto pensare che la distanza adeguata per la
sorgente a 407 nm fosse ad un valore superiore che, data la configurazione della
micromovimentazione, corrisponde a diminuire la lunghezza focale, il valore riscontrato alla
fine dei test è pari a 15,80 mm. Ulteriori perfezionamenti di questo valore sono possibili, una
volta focalizzato il fascio sul sensore, utilizzando il software Labview per l'acquisizione,
attraverso il quale si è minimizzata la grandezza delle proiezioni del profilo del fascio in
tempo reale agendo sulla vite micrometrica.
67
3.3.2 Focalizzazione del fascio sul RAPS02
La focalizzazione è stata agevolata dal software di acquisizione implementato in LabVIEW.
Grazie a questo software, è possibile visualizzare una delle matrici 32×32 a scelta su un
grafico 3D. E quindi possibile ottenere l’immagine degli eventi che stanno interessando la
matrice in tempo reale. Inviando il laser alla matrice attraverso il cammino ottico fin qui
descritto, è stato possibile individuare l’immagine che lo spot formava sulla matrice (figura
3.19). Grazie al motore che permette lo spostamento in direzione parallela al cammino ottico,
è stato possibile mettere a fuoco (figura 3.20) il fascio variando appunto la distanza lentechip, osservando quando si otteneva il minimo di pixel che presentavano la caduta
massima[2]. Si può notare in figura 3.19 la simmetria circolare dello spot laser, che è anche
un indice di bontà del lavoro svolto nel gestire il cammino ottico, in questo caso la
focalizzazione però è tutt'altro che ottimale, infatti si nota facilmente che buona parte della
matrice risponde allo stimolo della sorgente laser. Lo spot focalizzato dovrebbe avere
dimensioni nell'ordine dell'ordine del µm quindi deve essere in grado di eccitare un singolo
pixel come in figura 3.18.
Figura 3.19 Spot laser non focalizzato sulla matrice G1P0 large
68
Figura 3.20 Spot focalizzato su un singolo pixel della matrice G1P0 large: sull'asse verticale la caduta di
tensione in V,; tramite le proiezioni del fascio è possibile notare come la risposta sia legata principalmente al
singolo pixel.
3.4 Caratterizzazione del fascio a valle del cammino ottico
L’energia dell’impulso laser che arriva sulla matrice dopo la focalizzazione non è quella che si
è misurata in uscita dalla fibra a causa delle dispersioni e degli assorbimenti dovuti
all’attraversamento degli elementi che compongono il cammino ottico. Per tale motivo è stato
necessario ripercorrere il processo di caratterizzazione del fascio laser[2]. Inoltre era
necessario verificare le dimensioni dello spot al fine di capire le capacità di risoluzione
spaziale.
69
3.4.1 Misura dello spot del fascio laser
Per comprendere e misurare la forma dello spot si è operata una scansione della superficie
della matrice G1P0 Large per righe. In particolare si è colpito per primo il pixel [20,20] e si è
mosso il fascio fino al pixel [19,20], acquisendo la matrice ogni 0,2 µm circa (60 count).
Nella figura 3.21 si può osservare il grafico dell’andamento delle cadute registrate sui due
pixel attraversati, sovrapposto al layout della matrice. Come si può notare, quando lo spot
passa sopra le metallizzazioni, la radiazione viene riflessa. Sapendo che le metallizzazioni
attraversate hanno una larghezza di 2,7 µm, è stato possibile approssimare il profilo della
metallizzazione con una funzione rettangolo di base pari a questa lunghezza. L’ampiezza del
rettangolo è stata impostata al valore arbitrario 1 essendo, come spiegato in seguito, di scarso
interesse.
Figura 3.20 Sotto un grafico simile a quello in figura 3.19 è stato posto il layout della G1P0 Large, si evidenzia
la risposta del pixel durante lo spostamento.
70
Poiché l’andamento della somma delle cadute dei due pixel adiacenti è il risultato della
convoluzione tra il profilo gaussiano del laser e il profilo della metallizzazione, conoscendo
quest’ultimo e l’andamento della somma, si è potuta calcolare la deconvoluzione tra queste
due funzioni. Precisamente si è calcolata la deconvoluzione tra: il tratto gaussiano
rappresentato dall'attraversamento della metallizzazione e il rettangolo che approssima il
profilo della metallizzazione. Poichè della gaussiana risultante (che rappresenta il profilo
dello spot laser) il parametro interessante è la deviazione standard (il raggio), l’altezza del
rettangolo non è importante ai fini della determinazione di questo parametro. La funzione
risultato di questo calcolo è stata sottoposta ad un fit gaussiano che ha permesso di ricavarne i
valori interessanti come la sigma. Il diametro è stato valutato allo stesso modo per le matrici:
G1P0 Large, G1P0 e G1P1 i risultati sono riassunti in tabella 3.1.
Matrice
Diametro Spot
G1P0 Large
1,32 µm ±0.462 µm
G1P1
1,26 µm ±0.491 µm
G1P0
1,28 µm ±0.589 µm
Tabella 3.1 Dimensioni dello spot della sorgente a 407 nm, per le tre matrici analizzate.
Il risultato ottenuto è importante. Infatti date le caratteristiche del nostro setup ovvero
lunghezza focale della lente collimatrice, lunghezza d'onda della sorgente e raggio del fascio
collimato (r) si ha che la minima dimensione raggiungibile per il diametro dello spot è dato
da:
che nel caso della sorgente a 407 nm porta a un diametro minimo pari 0,54 µm, ossia circa la
metà del risultato ottenuto. Il risultato è comunque molto buono in quanto il limite fisico è
quello della lunghezza d'onda della sorgente.
71
3.4.2 Caratterizzazione della sorgente laser a valle del cammino ottico
Il processo seguito per caratterizzare il laser a 407 nm dal punto di vista energetico a valle del
cammino ottico, è stato eseguito tramite il fotodiodo, ma il singolo impulso laser dopo la
focalizzazione non veniva rilevato dal fotodiodo. Si è scelto quindi di operare in questo modo:
fornire un treno di impulsi laser, il cui numero fosse noto e costante, misurare la tensione in
uscita dal fotodiodo relativa a tale segnale in funzione della manopola dell'impulsatore, da
questa si è ricavata l'energia relativa al treno di impulsi con la stessa modalità utilizzata nella
caratterizzazione a valle del cammino ottico, si è poi valutato il numero di fotoni emessi
dividendo per il numero di impulsi totale. Per questo tipo di operazione è stato utilizzato un
contatore CAEN e due generatori di segnale. In particolare in base al valore impostato sul
contatore si fissa il numero di impulsi che si vuole generare, il primo generatore di segnale
pilota come trigger esterno il driver del laser che emette un impulso, lo stesso segnale di
trigger aggiorna il conteggio del contatore; quando il contatore raggiunge il limite imposto
fornisce un segnale di fine conteggio al primo generatore di segnale, che interrompe la
generazione di impulsi (vedi figura 3.21); il secondo generatore fornisce un segnale che viene
utilizzato per il reset del contatore, quando commuta viene generato un secondo treno di
impulsi. Il segnale di reset al contatore è realizzato in maniera tale che tra la generazione di
un treno di impulsi e il successivo, il fotodiodo si possa scaricare completamente (vedi figura
3.22). Il treno di impulsi generato pilota l'impulsatore del laser, ottenendo in questo caso
20000 impulsi laser con una frequenza pari a circa 19 MHz, mentre un treno di impulsi laser
è separato dal successivo di circa 27 Hz come mostrato in figura 3.22. Date le dimensioni
dello spot focalizzato della sorgente laser, si è scelto di fissare il fotodiodo agli stage traslatori
per essere certi di colpire l'area sensibile con un elevato grado di accuratezza.
72
Figura 3.21 Generazione del segnale che pilota il trigger esterno del impulsatore laser; il segnale celeste pilota
il trigger esterno del laser, gli impulsi sono spaziati in frequenza di circa 19 MHz e in numero sono pari a
20000. Il segnale in viola è il fine conteggio del contatore.
Figura 3.22 Risposta del fotodiodo al treno di impulsi; il segnale di reset (in viola) fornito dal secondo
generatore di segnale abilita la generazione di un nuovo treno di impulsi; la frequenza del segnale di reset è
circa 27 Hz, in giallo il segnale in uscita dal fotodiodo si può notare come il fotodiodo si scarichi completamente
tra un treno di impulsi e il successivo.
73
Con la tecnica sopra descritta sono stati ricavati i grafici in figura 3.23 e 3.24 che
rappresentano l'energia del laser a valle del cammino ottico per 20000 e il numero di fotoni
generati da un singolo impulso, in funzione del valore assunto dalla manopola INTENSITY
dell'impulsatore. Si può notare un fattore di attenuazione, rispetto al numero di fotoni presenti
a monte del cammino ottico (cfr. 2.3), pari a un fattore 100.
Figura 3.23 Energia per 20000 impulsi laser a valle del cammino ottico per sorgente laser a 407 nm (UV), in
funzione della intensità relativa della manopola del driver PDL 800-B.
74
Figura 3.24 Numero di fotoni a valle del cammino ottico per singolo impulso laser della sorgente a 407 nm
(UV), in funzione della intensità relativa della manopola del driver PDL 800-B.
75
Capitolo 4
Sviluppo di un software LabView per acquisizioni
pianificate
4.1 Introduzione al software per acquisizioni pianificate
La necessità di un software di acquisizioni pianificate nasce dalla
esperienza fatta in
laboratorio durante il lavoro per la tesi. La caratterizzazione del RAPS02, prevede una serie di
misure che, all'atto pratico consiste in una serie di operazioni ripetitive che devono essere
necessariamente svolte in un ordine ben preciso. In molti casi il tempo necessario alle misure
supera semplicemente le capacità di concentrazione di chi le svolge, inoltre a questo si
aggiunge il fatto che alcune misure, richiedono:
1. Un tempo relativamente lungo (ore);
2. Una condizione di lavoro dove il rumore ambientale, da intendersi come qualunque
fattore che influisce sulla stabilità del banco ottico, deve essere minimizzato per non
inficiare le misure.
Lo sviluppo di questo software ha sostanzialmente aumentato le capacità del banco ottico. La
parte del software relativa all'acquisizione dei dati dal RAPS02, è stata originariamente
sviluppata dall'Ing. Biagetti e ne si può avere descrizione dettagliata in [4], il software che
andremo ora a descrivere è da considerarsi un evoluzione del precedente, che quindi prende
come base il programma di acquisizione e fa sì che sia coordinato con lo spostamento degli
stage traslatori; inoltre permette l'utilizzo dei motori in modalità manuale. Nei paragrafi
successivi si intende dare una descrizione dei due moduli aggiunti al software di acquisizione;
verrà
spiegato come programmare una acquisizione pianificata e
si evidenzieranno i
passaggi logici fondamentali eseguiti dal software tramite un diagramma di flusso.
76
È bene distinguere alcuni concetti fondamentali: un programma o sottoprogramma LabView
viene chiamato Virtual Instrument e .vi è l'estensione di un file LabView. Il Front Panel
(pannello frontale) è l’interfaccia utente del VI. Si realizza con controlli e indicatori, che
costituiscono i terminali interattivi d’ingresso e d’uscita, rispettivamente. I controlli sono
matrici, manopole, potenziometri, pulsanti, quadranti e molti altri; simulano i dispositivi
d’ingresso degli strumenti e forniscono dati allo schema a blocchi del VI. Gli indicatori sono
grafici, tabelle, LED, termometri e molti altri; simulano i dispositivi d’uscita degli strumenti e
visualizzano i dati che lo schema a blocchi acquisisce o genera. Il Block Diagram (schema a
blocchi) è il diagramma di flusso che rappresenta il codice sorgente in formato grafico. Gli
oggetti del pannello frontale appaiono come terminali di ingresso o uscita nello schema a
blocchi. Le funzioni sono chiamate esse stesse VI, anche se non hanno un loro pannello
frontale e un loro schema a blocchi. Possono avere un numero indefinito di ingressi e di uscite
come ogni VI. Le strutture eseguono il controllo di flusso di base. Ad esempio il ciclo FOR è
rappresentato da un contenitore quadrato, che ripete N volte la porzione di schema a blocchi
che si trova al suo interno. I fili di collegamento possono trasportare teoricamente qualunque
mole di dati di qualunque tipo, anche aggregati definiti dal programmatore. Il colore e lo
spessore del filo cambiano di conseguenza per permetterne una facile identificazione. Ad
esempio gli interi scorrono su fili blu e le stringhe su fili rosa. Lo schema a blocchi può essere
reso visibile anche durante l'esecuzione, cosa molto utile in fase di debug, in quanto a
richiesta si può visualizzare con un’animazione al rallentatore il movimento dei dati lungo i
fili e il loro valore momentaneo[10].
4.2 Il modulo per il controllo degli stadi traslatori motorizzati PI
M-410-CG
Gli stadi traslatori motorizzati della PI[8] (cfr. 2.4) sono gestiti
tramite il software di
controllo dei motori (PI Mercury NET Move) fornito insieme ai motori (o reperibile sul sito
internet della PI), tale software può essere completamente implementato in LabView. Per una
77
descrizione completa delle funzioni disponibili si rimanda a [9].
Figura 4.1 Parte del block diagram del software di acquisizione, è possibile le funzioni fornite dalla PI
racchiuse in “blocchetti” verdi, questo segmento compie le operazioni iniziali necessarie per l'utilizzo degli
stage traslatori.
La figura 4.1 presenta un segmento inserito nel software di acquisizione sviluppato
dall'Ing.Biagetti, la cui esecuzione è necessaria al fine di poter utilizzare i motori durante
l'acquisizione, lo scopo di questo segmento è di svolgere le operazioni preliminari all'utilizzo
dei motori. Vengono quindi eseguite ,nel seguente ordine le operazioni di :
1. Chiusura della porta COM a cui sono conessi i controllers tramite la funzione
MCRSclose.vi.
2. Viene aperta la COM a cui sono connessi i controllers tramite tramite la funzione
MCRSopen.vi.
3. Vengono resettati i buffer interni ai controllers tramite la funzione MCRSclr_in.vi.
4. Viene inizializzata la rete dei controllers tramite la funzione MCRSiniNET.vi, questa
operazione necessita di un tempo di 0.4 secondi per controller.
La funzione MCRSiniNET.vi
prende un ingresso
che deve essere pari al numero di
controllers sulla rete più uno. La struttura più esterna è una struttura FOR ha lo scopo di far
78
eseguire una volta sola la serie di funzioni di cui sopra, questo perché il tempo necessario ha
inizializzare un singolo controller è di 400 ms, ripeterle più volte crea ritardi inaccettabili,
anche se non compromette il funzionamento del software. La seconda struttura, quella più
interna, ordina nel modo descritto lo svolgere delle operazioni. Un altro particolare è la
funzione Timing Delay (il “blocchetto” a forma di orologio) inserendola si impedisce di
eseguire l'ultima sequenza della
Stacked Sequence in un tempo minore di 1600 ms
assicurando l'inizializzazione di tutti e 3 i controllers. La prima operazione della sequenza,
ossia la chiusura della COM, è di sicurezza se il software subisce un interruzione non voluta e
viene riavviato evita un handle error per maggiori dettagli si veda [9]. Ora osservando il
Block Diagram del software di acquisizione e' possibile notare una Case Structure gestita dal
controllo Via Acquisizione. All'interno di questa struttura sono state inserite alcune funzioni
che permettono il controllo dei motori (figura 4.2 4.3 e 4.4).
Figura 4.2 Segmento per il controllo dello spostamento nella direzione positiva e negativa rispetto all'asse di
uno stage traslatore.
79
Figura 4.3 Segmento per i comandi: definizione di una casa, interruzione di un operazione e ritorno nella
casa.
Figura 4.4 Segmento per l'indicazione della posizione e dell'errore di posizionamento.
Le due case structure in figura 4.2 vengono attivate dai controlli pos_mov e neg_mov, i
controlli sono di tipo booleani, se attivati sono da considerarsi true altrimenti sono false. Sono
connessi agli omonimi pulsanti sul Front Panel, che se premuti cambiano il loro valore in true
per tornare in false (con una modalità impostabile dall'utente), allo stesso modo funzionano i
controlli:dh (definisce la casa), gh( porta il motore nella casa), abort (interrompe le
operazioni) in figura 4.3.
80
Mentre il blocco in figura 4.4 permette di visualizzare sul Front Panel posizione del motore e
errore relativo. Ora scenderemo più in dettaglio con la descrizione delle funzioni presenti.
All'interno delle Case Structure sono presenti tre funzioni fondamentali:Move R,Select e
Send:
1.
La funzione Move R prende in ingresso una variabile che indica quale motore della
rete attivare, e una variabile che imposta i passi da eseguire, in uscita può fornire un
report relativo a un eventuale malfunzionamento.
2. La funzione Select prende in ingresso una variabile di tipo Int che seleziona
semplicemente il motore desiderato, in uscita può fornire un report relativo a un
eventuale malfunzionamento.
3.
La funzione Send in funzione della stringa in ingresso può essere eseguito ad esempio
uno spostamento o definita la casa come si è scelto di fare nel nostro software (per
maggiori dettagli riguardo le istruzioni da riga di comando consultare [9]), in uscita
può fornire un report relativo a un eventuale malfunzionamento.
Sono presenti tre ulteriori funzioni, che completano il quadro dei comandi e controlli riportati
in tabella 2.2, sono:TP,TF e Mov?:
1. La funzione TP ha inotre un uscita connessa all'indicatore Current Position che fornirà
la posizione corrente del motore selezionato relativa alla casa.
2. La funzione TF e' connessa all'indicatore Current Position Error che permette di sapere
quanto è l'errore attuale dell posizionamento del motore (non e' da confondere con gli
errori descritti in 2.4 andrà comunque a zero dopo qualche secondo).
La funzione Mov? presenta una uscita di tipo booleana, un valore false indica il motore fermo
mentre un valore true indica che il motore è in movimento. Dopo aver aggiunto queste
funzioni come descritto, si possono notare gli effetti sul Front Panel.
81
Fig 4.5 Il Front Panel del software di acquisizione e i relativi controlli degli stage traslatori.
L'uso dei motori da Front Panel è abbastanza intuitivo ed è possibile in real time controllare i
motori
e
seguire
l'acquisizione.
L'eventuale
inserimento
di
altre
unità
per
la
micromovimentazione sulla stessa COM (fino a un massimo di 16) può essere eseguito
semplicemente modificando la funzione Timing Delay (aggiungendo ulteriori 400 ms di
ritardo totale) e la costante in ingresso alla funzione InitNet.
4.3 Il modulo per l'esecuzione di operazioni pianificate
Questo secondo modulo utilizza delle funzioni sviluppate durante questo lavoro di tesi più
alcune di quelle fornite dalla PI. È costituito da tre funzioni :
•
La funzione Macro Block in figura 4.6, costituisce il cuore di questo modulo, legge
una istruzione e fa in modo che il motore e il software di acquisizione siano
sincronizzati.
•
La funzione MS in figura 4.7 è un SubVi della funzione Macro Block, ossia la sua
gestione è affidata ad una funzione di controllo che nel nostro caso e' appunto la
Macro Block, in base all'istruzione fornita gestisce i motori.
•
La funzione Path, in figura 4.8 , si occupa di generare in automatico il percorso per i
82
file su cui avviene il salvataggio dei dati delle acquisizioni.
Figura 4.6 La funzione Macro Block con la descrizione degli ingressi (a sinistra) del “blocchetto” e delle uscite
(a destra).
4.3.1 La funzione Macro Block
La funzione Macro Block ha i seguenti compiti:
•
Esegue la lettura di un file .txt sui cui sono presenti le istruzioni pianificate per gli
stage traslatori.
•
Fornisce una singola istruzione, (la struttura delle istruzioni sarà discussa a breve)
ossia una stringa che contiene i parametri necessari ai motori e al salvataggio. alla
funzione MS (la struttura delle istruzioni sarà discussa a breve).
•
Controlla la funzione MS e la sincronizzazione tra motori e salvataggio.
È importante prima di continuare, capire come è strutturata una istruzione, la funzione Macro
Block legge un file .txt, che contiene una serie di righe di testo scritte in colonna che devono
avere una forma di questo tipo: save,1,1000,30. Questa singola riga è quello che si intende
per una istruzione, il numero di istruzioni è quindi pari al numero di righe del file .txt, si
possono notare:
•
Un prefisso (save nell'esempio) che può essere save e indica che l'istruzione comporta
l'azionamento dei motori e operazioni di salvataggio dei dati o nosave comporta solo
83
l'utilizzo dei motori da parte del software ma non il salvataggio dei dati.
Un numero (1 nell'esempio ) che indica quale motore attivare, nel nostro caso deve avere un
valore compreso da 1 a 3).
•
Un valore (1000 nell'esempio) indica al motore la distanza da percorrere, lo
spostamento minimo che possono compiere i motori è 0,2 um equivalenti a impostare
il parametro a 60, il segno indica il verso di percorrenza del binario dei motori (in
pratica guardando un motore la parte dove è connesso
il cavo proveniente dal
controller, e' la direzione verso cui si sposta il carrello se il parametro ha valore
positivo).
•
Il numero dei passi da compiere (30 nell'esempio), che indica quante volte il motore
dovrà spostarsi del valore indicato dal parametro precedente .
Il termine passo che utilizzeremo da qui in avanti (in riferimento alla istruzione di esempio)
ha il seguente significato:il motore selezionato ha percorso una distanza pari a 1000 una sola
volta. La singola istruzione è terminata quando questo è avvenuto per 30 volte.
Gli ingressi della funzione sono :abilita_save_in, passo_in, start_macro, Save_finito, riga_in,
e Path_macro.
1. L'ingresso Save_finito ha lo scopo di comunicare alla funzione che le operazioni di
salvataggio dei dati sono terminate e che è quindi possibile azionare i motori.Il suo
valore di default è true, il perché di questa scelta sarà spiegato nei paragrafi successivi.
2. Gli ingressi riga_in e passo_in sono di tipo Int, indicano alla funzione quale istruzione
sta eseguendo e quanti passi dell’istruzione sono stati eseguiti, sono connessi
all’uscita di due shift register.
3. L'ingresso abilita_save_in e' di tipo booleano, il suo valore di default e' false, durante
l'esecuzione delle operazioni pianificate il suo valore dipende dalla struttura
dell'istruzione.
4. L’ingrsso start_macro è connesso all’omonimo pulsante del Front Panel, il suo
84
valore di default è false, se viene premuto il pulsante del Front Panel passa al valore
true per poi tornare a false al termine di tutte le istruzioni.
5. L'ingresso Path_macro connesso ad un controller presente sul Front Panel, serve a
fornire alla funzione il percorso che gli permette di individuare il file contenente le
operazioni da eseguire.
Le uscite della funzione Macro Block: abilita_save_out, fine_macro, riga_out, passo_out.
1. L'uscita abilita_save_out comunica se l'istruzione che si sta eseguendo comporta un
salvataggio.
2. L'uscita fine_macro comunica che le istruzioni sono state tutte lette.
3. Le ultime uscite indicano quale riga del file.txt si sta leggendo e a che punto
dell'istruzione si trova il programma che si sta eseguendo e quanto manca al termine.
4.3.2 La funzione MS
All'interno della funzione Macro Block si trova la funzione MS che possiamo osservare in
figura 4.7.
Figura 4.7 La funzione MS a con la descrizione degli ingressi e delle uscite, controlla gli stages traslatori
motorizzati.
La funzione MS prende l'istruzione in ingresso, da questa ricava i parametri necessari a
selezionare il motore, fa effettuare un singolo passo e verifica se per l'istruzione in ingresso
bisogna effettuare un save dei dati. Gli ingressi di questa funzione sono Istruzione in ingresso
e indice del passo da effettuare. Il primo ingresso è una stringa che viene fornita dalla
85
funzione Macro Block con la forma prima descritta, il secondo è di tipo Int ed è connesso con
l'ingresso passo_in della funzione Macro Block. Le uscite sono tutte di tipo booleano. L'unica
uscita che dipende direttamente da questa funzione è fine riga, sostanzialmente quando il suo
valore passa in true viene fornita una nuova istruzione in ingresso alla funzione MS.
4.3.3 La funzione Path Block
La funzione Path Block è stata la più semplice
da realizzare, ma ricopre un ruolo
fondamentale. I dati provenienti dalle acquisizioni sono salvati in formato .txt[4], per la loro
gestione è necessario che vengano salvati con una indicizzazione adeguata, per adeguata si
intende che deve essere possibile risalire, dal nome del file di testo, a quale passo e a quale
istruzione è stato effettuato il salvataggio. Questa funzione genera il nome del file di testo che
contiene il save - ad esempio: test_save_istruzione0001_passo_0005 - lo comunica alla parte
del software che si occupa di registrare i dati su un file .txt, la quale utilizza questo nome
come percorso per salvare i dati all'interno del PC. La funzione prende in ingresso l'uscita dei
registri dove sono memorizzati riga_in e passo_in (gli stessi usati dalla funzione Macro
Block) tramite gli ingressi indice_riga e indice_passo.
Figura 4.8 La funzione Path Block, genera il percorso per i save e gli indici
Il percorso di salvataggio relativo al primo file viene impostato tramite il Front Panel. In
uscita fornisce un percorso di salvataggio, un nuovo percorso viene generato dopo ogni
salvataggio.
86
4.4 Esecuzione di una acquisizione pianificata
In questo paragrafo si vogliono descrivere i passaggi fondamentali eseguiti dal software fin
qui descritto durante una acquisizione. L'idea di base è la seguente:
1. si avvia la parte del software per l'acquisizione dei dati dal sensore;
2. si avvia il software per le acquisizioni pianificate tramite Front Panel;
3. viene letto completamente il file .txt le cui righe sono istruzioni;
4. viene interpretata una singola istruzione;
5. uno stage traslatore esegue un singolo passo dell'istruzione (che ricordiamo equivale
generalmente ad uno spostamento);
6. vengono salvati i dati provenienti dal software di acquisizione in un file ben
determinato;
7. terminato il salvataggio e solo in quel caso viene eseguito il passo successivo
dell'istruzione;
8. terminata l'istruzione si esegue la successiva.
Prima di spiegare come si programma un'acquisizione è bene ricordare che questo software
evita gran parte dei problemi di una acquisizione manuale, ma la scrittura del file contenente
le istruzioni è eseguita dall'utente, il quale deve porre una grande attenzione nello scrivere le
istruzioni da eseguire per evitare errori nell'acquisizione dei dati o peggio danneggiare il
setup; il consiglio è quindi di ricontrollare le istruzioni scritte prima di lanciare il programma.
Fatta questa premessa il file .txt deve essere logicamente già scritto prima di lanciare.
87
Ora sul Front Panel sono presenti quattro controlli da impostare (figura 4.9) prima di attivare
l'acquisizione:
Figura 4.9 Front Panel con i controlli per l'acqusizione pianificata.
1. Path_macro: si deve indicare dove è posizionato il file contenente le istruzioni.
2. Path_macro_save: si deve indicare il percorso che vogliamo dare ai file a cui verrà
aggiunto un indicatore dalla funzione Path Save, come accennato i save avvengono su
file .txt se il percorso è inserito a mano bisogna aggiungere .txt alla fine del testo.
3. Selezionare il valore limit, deve essere un numero intero senza segno, il suo valore
indica il numero di acquisizioni che si vogliono svolgere per ogni singolo passo.
Lasciando 0 si avrà sul file di testo una singola acquisizione dei dati provenienti dal
sensore, per maggiori dettagli riguardo al salvataggio dei dati si rimanda a [4].
4. Premere il pulsante start_macro per dare inizio all'acquisizione.
88
Ora verranno evidenziati i passaggi logici svolti dal software (mostrati nel diagramma di
flusso):
1. Inizializzazione delle variabili secondo la tabella 4.1:
fine_save
Set=True
Save_finito
Set=True
limite_raggiunto
Set=True
fine riga
Set=False
passo_in
Set=1
riga_in
Set=0
abili_save_out
Set=False
Tabella 4.1 Valori iniziali delle variabili utilizzate durante l'esecuzione del software.
2. Generazione percorso di salvataggio in base ai valori dei registri passo_in e riga_in.
3. Lettura del file .txt contenente le istruzioni.
4. Invio dell'istruzione in base ai valori dei registri passo_in e riga_in.
5. Operazione di salvataggio dei dati in base al valore di abilita_save_out.
6. Aggiornamento Shift Registers.
7. Se le istruzioni sono terminate fine programma altrimenti si riparte dal punto 2.
89
90
Capitolo 5
Risultati ottenuti al banco ottico
In questo capitolo si riportano i risultati ottenuti con le misure effettuate sul sensore RAPS02
tramite l'utilizzo del banco ottico presentato nei capitoli precedenti. Le misurazioni effettuate
hanno permesso di avere una maggiore conoscenza delle capacità del setup a nostra
disposizione e di studiare l'efficienza quantica del sensore e il crosstalk
permetteranno di avere
tra pixel, che
informazioni sulle potenzialità del RAPS02. Allo stesso tempo
saranno un buon punto di partenza per confrontare quest'ultimo con il nuovo sensore, il
RAPS03, di cui attualmente si sta ultimando la board di test.
5.1 Caratterizzazione del rumore sulle matrici
Il primo passo da compiere per una corretta analisi è valutare l’entità del rumore per i pixel
delle matrici usate per i test. A questo scopo sono state svolte, durante test precedenti a questo
lavoro, una serie di misurazioni durante le quali è stata registrata, la caduta di tensione su
tutta la matrice in condizioni di buio, ossia quando la struttura metallica del banco isola il
sensore da fonti di luce esterne e ovviamente non sono presenti sorgenti attive all'interno del
banco. Bisogna ricordare che il software di acquisizione di cui abbiamo discusso nei
precedenti capitoli, prima di registrare i dati calcola un piedistallo e un livello di trigger, ossia
acquisisce per un certo numero di volte in condizioni di buio, generalmente 1000, la risposta
totale della matrice e calcola la media e la deviazione standard del segnale per ogni pixel. La
media viene sottratta ad ogni singolo pixel della matrice, mentre la deviazione standard, in
genere moltiplicata per un fattore 3 servirà a definire il livello di trigger per far partire
l'acquisizione. La risposta di un singolo pixel, ha una distribuzione come quella in figura 5.1.
Si può assumere la deviazione standard del fit gaussiano come misura del rumore intrinseco
93
(termico o kTC noise). In riferimento alla stessa figura si può notare come la gaussiana per
effetto della sottrazione del piedistallo sia centrata intorno allo zero.
Figura 5.1 Distribuzione del rumore intrinseco su un singolo pixel ( il [23,12] della G1P1), la deviazione
standard fornisce una misura della tensione equivalente di rumore.
L'analisi è stata svolta su tutta la matrice per valutare il livello medio del rumore
e
l'omogenità del sensore. In figura 5.2 è graficata la distribuzione del rumore sull'intera matrice
G1P1 da cui si evince come il valore medio di ampiezza del rumore sia pari a 1,2 mV. Lo
stesso tipo di test effettuato sulle restanti matrici ha permesso di valutare l'ampiezza del
rumore, che risulta compresa tra un minimo di 0,9 mV e un massimo di 1,2 mV.
94
Figura 5.2 Distrubuzione del rumore intrinseco sull'intera matrice G1P1.
5.2 Disallineamento del sensore RAPS02
La board del sensore RAPS02 è fissata tramite un supporto agli stage traslatori. A causa di
una serie di imprecisioni legate alla fabbricazione di tale supporto, a come tale supporto viene
fissato agli stage traslatori, a come il sensore è fissato alla stessa board, si ha che il sensore
risulta disallineato rispetto alla direzione di movimento dei motori. Il disallineamento può
essere stimato con una semplice misura, che dovrebbe essere svolta ogni volta che si rimuove
la board dagli stage traslatori. È possibile misurare il disallineamento grazie ad una dettagliata
95
documentazione della struttura del RAPS02, dalla quale si può determinare quale sia la reale
distanza tra due punti. Utilizzando queste informazioni, è possibile tracciare un percorso per
cui, a partire da un pixel scelto su una matrice, si dovrebbe giungere su un pixel determinato
di un'altra matrice. Si è scelto per questo test di percorrere uno spostamento in linea retta dalla
matrice G1P0 Large alla matrice G1P0 come è possibile notare in figura 5.3. La posizione
iniziale,come quella finale, è nota grazie all'ausilio del software di acquisizione e della
sorgente laser. Nota la distanza percorsa dai motori, con l'utilizzo della seguente formula è
stato calcolato l'angolo β : β=arcsin[S/(D2+S2)].
L'angolo β è pari a 1.21° ± 0.242°.
Figura 5.3 Spostamento effettuato per stimare il disallineamento;D=lunghezza dello spostamento effettuato con i
motori, S=scostamento rispetto al punto di arrivo ideale, β=angolo del sensore rispetto al fascio laser.
96
5.3 Errore bidirezionale degli stadi traslatori motorizzati
È noto che gli stadi traslatori motorizzati commettono un errore in uno spostamento
bidirezionale (cfr. 2); tale errore è stato caratterizzato utilizzando il programma di acquisizioni
pianificate (cfr. 4). È stato eseguito uno scan sulla matrice G1P0 percorrendo una singola riga
della matrice, con un passo di 0.35 µm, per una distanza totale percorsa di circa 5.25 µm,
posizionando lo spot laser in maniera tale da attraversare una sola metallizzazione. Lo stesso
percorso è stato poi ripetuto nella direzione opposta, ottenendo delle curve simili a quelle
utilizzate per stimare le dimensioni dello spot laser (figura 5.4). È possibile notare come la
stessa metallizzazione risulti, rispetto al numero di passi eseguito, posizionata in due punti
differenti. Lo sfasamento della posizione rilevata è dovuto all'errore che commettono i motori
quando devono fare un cambio di direzione nel movimento; in altre parole, a causa di
problemi meccanici, quando al motore è richiesto di cambiare direzione esso rimane fermo
per un numero di passi, stimato in 8, che corrispondono a circa 2.8 µm ± 0.35 µm.
In figura 5.4 è proposto uno scan con le modalità sopra descritte. Il motore compie circa 15
passi, pari appunto a 5.25 µm, poi quando dovrebbe muoversi nella direzione opposta rimane
invece fermo nello stesso punto per 8 passi, generando il tratto di curva costante;
successivamente comincia a muoversi nella direzione opposta.
97
Figura 5.4: Errore bidirezionale degli stage traslatori motorizzati; ogni curva rappresenta la risposta del
sensore in funzione dei passi compiuti dal motore,ad esempio il motore parte dal passo 1 (tratto in rosso) compie
15 passi, successivamente dovrebbe tornare indietro nella direzione opposta compiendo altri 15 passi , mentre
in realtà è fermo (tratto rosso costante) e solo dopo ulteriori 8 passi ricomincia a muoversi (tratto giallo); lo
stesso effetto è evidenziato nelle restanti curve.
5.4 Analisi del crosstalk delle matrici APS
Per questa analisi sono state utilizzate le sorgenti laser a 407 nm (UV) e a 1066 nm (IR). Lo
scopo dell'analisi è evidenziare il comportamento delle tre matrici in termini di crosstalk e
ottenere una stima della capacità di risoluzione in segnale delle matrici G1P0 Large, G1P0 e
G1P1 alle due lunghezze d'onda.
98
5.4.1 Definizione di segnale
Prima di introdurre il concetto di segnale per il nostro rilevatore è bene fare alcune
considerazioni sulla modalità di generazione di carica all’interno di esso; quello che si
vorrebbe è che il sensore, sottoposto ad uno stimolo focalizzato entro le dimensioni di un
singolo pixel, risponda con una significativa escursione di tensione solo nel pixel stimolato
direttamente dallo spot laser. In realtà, lo spessore di materiale in cui avviene la generazione
di carica è legato alla lunghezza d'onda della radiazione incidente. Quindi, se si considera il
volume in cui avviene la generazione di coppie elettrone-lacuna come un cilindro la cui base è
lo spot laser, esso avrà un’altezza che è funzione della lunghezza d'onda della radiazione
incidente (figura 5.5). Le coppie elettrone-lacuna generate a profondità diverse, a causa di un
insieme di fenomeni, sono in parte raccolte dall'area sensibile del pixel che si vorrebbe
realmente stimolare e in parte si ricombinano; altre infine vengono raccolte dagli elementi
sensibili dei pixel adiacenti provocando una risposta, anche in assenza di uno stimolo diretto.
Normalmente i pixel interessati da questo fenomeno, noto come crosstalk, hanno un legame
topologico col pixel realmente stimolato. È stato definito cluster una sottomatrice di pixel
che, a partire dal pixel che si colpisce direttamente, contiene quelli coinvolti nella risposta allo
stimolo dello spot laser. Al fine di dimensionare correttamente il cluster e considerare per
l'analisi solo i pixel la cui risposta sia dovuta al crosstalk o alla incidenza diretta di radiazione
e non al rumore intrinseco della matrice, si è fissata in fase di analisi dei dati una soglia pari a
3 volte la deviazione standard del rumore; in altre parole, se un pixel fornisce una risposta, in
termini di caduta di tensione, inferiore a 3 volte l'ampiezza media del rumore, tale pixel non
verrà considerato nell'analisi dei dati. Questa scelta, unitamente all'utilizzo di un livello di
trigger e del piedistallo come sopra descritto, permette di limitare gli effetti relativi a
fluttuazioni statistiche del rumore e i possibili comportamenti anomali dei pixel.
99
Figura 5.5 Generazione di carica all'interno del fotodiodo; la radiazione incidente genera la carica all'interno
di un volume cilindrico, il diametro dello spot determina la superficie stimolata, la profondità di generazione
(D) è legata alla lunghezza d'onda della radiazione incidente.
5.4.2 Analisi del crosstalk per la sorgente a 407nm (UV)
Il primo problema che si è posto nell'analisi del crosstalk è capire quale sia la dimensione del
cluster da utilizzare in fase di analisi per la lunghezza d'onda della sorgente utilizzata. Le
dimensioni del cluster influiscono infatti sulla stima della risoluzione in segnale e sull'analisi
del crosstalk in maniera diretta. Al crescere delle dimensioni del cluster considerato
aumentano le probabilità di avere contributi provenienti da pixel che possono avere, a causa di
difetti di fabbricazione, comportamenti anomali come per esempio i pixel lungo i bordi della
matrice. I contributi dovuti allo stesso rumore termico potrebbero comunque influenzare
l'analisi; infatti la soglia fissata a 3 volte la sigma del rumore permette, nel 99.7% dei casi, di
eliminare in fase di analisi contributi dovuti a fluttuazioni statistiche del rumore, ma rimane la
possibilità che lo 0.3% dei pixel considerati nel cluster forniscano contributi a causa del
rumore.
Si è proceduto quindi in questo modo. È stato valutato il numero di pixel che statisticamente
superano la soglia imposta, in base a tale numero sono stati analizzati cluster di dimensioni
100
crescenti. Come si può notare nelle figure 5.6, 5.7 e 5.8 la somma totale delle risposte dei
pixel satura ad una determinata dimensione del cluster. Ciò significa che le dimensioni del
cluster sono tali da comprendere tutti i pixel interessati da crosstalk; una volta raggiunta la
saturazione aumentare le dimensioni del cluster accresce solo la probabilità di introdurre pixel
che rispondono a causa del rumore; per la sorgente a 407 nm, si è scelto per le matrici G1P1 e
G1P0 un cluster 5x5, mentre per la matrice G1P0 Large si è scelto un cluster 3x3.
Figura 5.6 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P0, con sorgente a 407
nm (UV).
101
Figura 5.7 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P1, con sorgente a 407
nm (UV).
Figura 5.8 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P0 Large, con sorgente a
407 nm (UV
102
I dati riassunti nei grafici 5.6, 5.7 e 5.8 permettono di fare le seguenti considerazioni:
1. Nella matrice larga (G1P0 Large) non è praticamente presente crosstalk, infatti il
considerando un cluster 3x3 si raggiunge la saturazione della risposta; questo accade
per due motivi: i fotoni emessi dalla sorgente a 407 nm generano carica solo nei primi
2 o 3 micron del silicio (cfr. 5.4.1) quindi le coppie elettrone-lacuna vengono
praticamente tutte raccolte all'interno dell'area sensibile del fotodiodo; inoltre il pitch
di tale matrice impedisce che le cariche generate (e non raccolte) possano raggiungere
i pixel adiacenti a quello effettivamente stimolato.
2. Nel caso delle matrici strette (G1P1, G1P0) il segnale totale presente satura per un
cluster 5x5, questo perchè una parte delle cariche generate è in grado di raggiungere i
pixel adiacenti a quello realmente stimolato; il segnale viene quindi distribuito su più
pixel per effetto del crosstalk.
Ora se consideriamo il segnale presente sul pixel direttamente stimolato e lo normalizziamo
rispetto alla caduta di tensione dell'intero cluster, otteniamo la frazione di segnale che viene
raccolta dal pixel stimolato. In figura 5.9 e 5.10 sono presentati il segnale totale del cluster
della G1P0 Large e della matrice G1P0. La differenza tra la frazione di segnale presente sul
pixel centrale ( figura 5.11 e 5.12 ) nei due casi conferma le considerazioni precedenti. I pixel
che compongono il cluster della G1P0 Large non presentano praticamente crosstalk e gran
parte del segnale è sul pixel centrale, per la matrice G1P0 la frazione di segnale sul pixel
centrale è inferiore, perchè parte del segnale si distribuisce sui pixel adiacenti.
103
Figura 5.9 Segnale totale presente su un cluster 3x3 per la matrice G1P0 Large
104
Figura 5.10 Segnale totale presente su un cluster 5x5 per la matrice G1P0
Figura 5.11 Frazione di segnale presente sul pixel centrale (cluster 5x5) per la matrice G1P0 Large
105
Figura 5.12 Frazione di segnale presente sul pixel centrale (cluster 5x5) per la matrice G1P0
Per la G1P1 si ha che a fronte di un segnale totale, (in riferimento al fit gaussiano) per un
cluster 5x5, di 175.9 mV ± 9.045 mV, la frazione di carica relativa al pixel centrale è pari al
82.75 % ± 4.13 %, con una deviazione standard rispettivamente di 9.076 mV ± 0.453 mVe
2.81 % ± 0.14 %. I risultati per la matrice sono in linea con le considerazioni fatte, data la
sottile differenza tra la frazione di segnale sulla due matrici strette; non è possibile capire se
tale differenza sia legata all'analisi statistica dei dati o alla diversa struttura delle due matrici
(cfr. 1). È possibile inoltre ricavare la risoluzione in segnale per le tre matrici come riportato
in tabella 5.1.
G1P0 Large
4.5 % ± 2.4%
G1P0
5.59% ± 2.7%
G1P1
5.17% ± 3.6%
Tabella 5.1 Risoluzione in Segnle per le tre matrici,con sorgnete a 407 nm (UV).
106
5.4.3 Analisi del crosstalk per la sorgente a 1066 nm (IR)
Nel caso della sorgente a 1066 nm (IR) si è proceduto in maniera simile per il
dimensionamento del cluster, in questo caso come mostrato in figura 5.13, 5.14 e 5.15 è
necessario un cluster di dimensioni maggiori rispetto alla sorgente a 407 nm (UV), in
particolare pari a 13x13 pixel. Questo non è un risultato inaspettato per le seguenti ragioni:
1. La lunghezza d'onda della sorgente è tale per cui la generazione di carica interessa
praticamente la totalità dello spessore del silicio, che può essere appunto considerato
trasparente per una sorgente a 1066 nm, le cariche generate in profondità migrano e
vengono in parte raccolte dagli elementi sensibili dei pixel adiacenti.
2. Le dimensioni dello spot laser - e di conseguenza quelle della superficie stimolata sono legate alla lunghezza d'onda della sorgente ( cfr. 3); tramite il cammino ottico è
possibile ottenere uno spot (per la sorgente a 1066 nm) compreso tra i 2 e i 3 µµm di
diametro, quindi circa il doppio di quello ottenuto per la sorgente a 407 nm. Lo
stimolo che incide sul sensore è comunque minore delle dimensioni di un pixel, ma il
volume dove avviene generazione di carica è maggiore.
Figura 5.13 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P0 Large, con sorgente
a 1066 nm (IR).
107
Figura 5.14 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P0, con sorgente a 1066
nm (IR).
Figura 5.15 Segnale totale presente su cluster di dimensioni crescenti per la matrice G1P1,con sorgente a
1066nm
108
Oltre alle dimensioni del cluster dalle figure 5.13, 5.14 e 5.15 si può notare come il segnale
totale satura per un cluster 13x13. Come per la sorgente a 407 nm si è valutata la risoluzione
in segnale per le tre matrici.
Figura 5.16 Segnale totale presente su un cluster 13x13 per la matrice G1P0.
109
Figura 5.17 Segnale totale presente su un cluster 13x13 per la matrice G1P0 Large
Figura 5.18 Frazione di segnale presente sul pixel centrale (cluster 13x13) per la matrice G1P0
110
Figura 5.19 Frazione di segnale presente sul pixel centrale (cluster 13x13) per la matrice G1P0 Large
Per la matrice G1P1 si sono riscontrati e seguenti valori 2280 mV ± 114 mV per il segnale su
un cluster 13x13, con una frazione di segnale sul pixel centrale pari a 7.137 % ± 0.403 %, la
deviazione standard è pari rispettivamente a 91.25 mv ± 4.56 mV e 0.174% ± 0.03 % . Ĕ
evidente che la frazione di segnale presente sul pixel centrale è notevolmente ridotta rispetto
al caso della sorgnete a 407 nm (UV), ciò è strettamente legato alle considerazioni fatte a
inizio paragrafo; anche in questo caso la mancanza di un analisi approfondita di come le
cariche generate in profondità interagiscano con il sensore non permette di stabilire il motivo
per cui le tre matrici rispondano in maniera differente. La risoluzione in segnale per la
sorgente a 1066 nm rispetto alle tre matrici è presentata in tabella 5.2:
G1P0 Large
2.87 % ± 0.55%
G1P0
5.55% ± 0.27%
G1P1
4.02% ± 0.19%
Tabella 5.2 Risoluzione in segnale per un cluster 13x13 con sorgente a 1066 nm.
111
5.5 Efficienza quantica del RAPS02
5.5.1 Calibrazione del RAPS02
Tramite l'utilizzo di sorgenti ( 55Fe a 5.9 keV, con tubo a raggi X a 8 keV e 16 keV) è stato
possibile associare l'energia della radiazione incidente alla caduta di tensione rilevata dal
sensore. In altre parole è stata effettuata la calibrazione del dispositivo, i risultati di tali misure
sono presentati in figura 5.20. Nel grafico è presente una retta che approssima l'andamento
lineare di tale calibrazione, tale retta ha equazione : ∆V[mV]=9.509E[KeV]-4.653.
Figura 5.20 Segnale in funzione dell’energia del fotone incidente sul rivelatore. Per ciascun punto è stata
riportata anche l’incertezza assoluta in mV. L’andamento della funzione è approssimato dalla retta disegnata in
nero.
112
Dove ∆V è la caduta di tensione mentre E è l'energia del fotone che incide. Sapendo che per la
creazione di una coppia elettrone-lacuna sono necessari 3.6 eV si ha che la caduta di 1 mV
corrisponde alla raccolta da parte dell'elemento sensibile di 36 coppie elettrone-lacuna. Nota
quindi la risposta del sensore (in termini di caduta di tensione) è possibile risalire al numero di
elettroni raccolti.
5.4.4 Stima efficienza quantica per sorgente a 407 nm (UV)
Tramite la caratterizzazione della sorgente (cfr. 3) è noto il numero di fotoni che incide sulla
superficie del sensore, tramite la calibrazione è possibile risalire al numero di elettroni
effettivamente raccolti dai pixel effettuando le seguenti assunzioni:
1. Il segnale considerato è quello fornito dall'intero cluster quindi la relativa caduta di
tensione è riferita alla caduta di tensione totale sul cluster.
2. Ogni fotone che raggiunge il substrato di silicio genera una coppia elettrone-lacuna.
L'efficienza quantica è definita come il rapporto tra il numero di elettroni raccolti e fotoni
incidenti. Nel caso della sorgente a 407 nm (UV) il rapporto tra numero di fotoni raccolti e
numero di fotoni incidenti ha il suo massimo nella matrice G1P1 pari a il 22.2 % e un minimo
pari a 18.8 % nella matrice G1P0, mentre la matrice G1P0 Large si attesta al 19.36 %. I
risultati in base all'analisi svolta sui cluster per le tre matrici, sono coerenti; la matrice G1P1
presenta una risposta totale maggiore e una risoluzione in segnale minore rispetto alle altre
due matrici. Quindi a parità di fotoni che incidono la superficie, il rapporto tra elettroni
raccolti e fotoni incidenti risulta maggiore.
113
5.6 Analisi della risoluzione spaziale del sensore RAPS02
Il programma di acquisizioni automatiche ha permesso di analizzare la capacità del sensore di
seguire gli spostamenti del baricentro dello spot in funzione dello spostamento dei motori. In
particolare è stato effettuato un scan di circa 16 µm, lungo una riga della matrice G1P0 come
mostrato in figura 5.21. Lo scan è stato effettuato con un passo di 0,2 µm, la caduta di
tensione fornita dal sensore ha un andamento periodico di 4.4 µm (pari alla lunghezza del
pixel), la curva ha un massimo di caduta quando il baricentro di carica dello spot attraversa il
pixel e un minimo che corrisponde al passaggio su una metallizzazione. Ĕ stata quindi
analizzata la correlazione tra il baricentro di carica dello spot e lo spostamento dei motori
rispetto agli assi X e Y come mostrato in figura 5.22 e 5.23. Analizzando la correlazione tra le
due coordinate del baricentro di carica è possibile ottenere il grafico in figura 5.24; si nota
come ad uno spostamento lungo la coordinata X del baricentro dello spot laser, corrisponde
un tratto costante e periodico del baricentro dello spot rispetto alla coordinata Y. Terminato
questo tratto, lungo circa 2 µm, ad uno spostamento in X corrisponde uno spostamento in Y
per un tratto ancora pari a 2 µm, il motivo di tale comportamento necessita di un ulteriore
analisi.
114
Figura 5.21 Segnale raccolto durante lo spostamento dello spot lungo una riga della matrice G1P0.
115
Figura 5.22 Correlazione tra lo spostamento dei motori lungo e la coordinata X del baricentro di carica dello
spot laser.
Figura 5.23 Correlazione tra lo spostamento dei motori lungo e la coordinata Y del baricentro di carica dello
spot laser.
116
Figura 5.24 Correlazione tra lo spostamento del baricentro di carica dello spot laser rispetto alle coordinate X e
Y.
117
Conclusioni
Questo lavoro di tesi ha raggiunto dei risultati interessanti, che forniscono nuovi campi di
indagine sul chip RAPS02. La caratterizzazione della sorgente a 407 nm (UV), ha permesso
di verificare le capacità del banco ottico di ottenere, tramite la focalizzazione, uno spot laser
di dimensioni inferiori ai due micron. Tramite tale sorgente è quindi possibile stimolare un
solo pixel della matrice. Il confronto tra la sorgente a 407 nm e la sorgente a 1066 nm ha
permesso di quantificare gli effetti del crosstalk; sono state evidenziate le differenze tra
matrici G1P0, G1P1 e G1P0 Large in termini di risoluzione in segnale e efficienza per la
sorgente a 407 nm. In particolare per la sorgente a 407 nm il fenomeno del crosstalk tra pixel
è trascurabile nelle tre matrici, a tale lunghezza d'onda la risoluzione in segnale e efficienza
quantica è praticamente costante per le tre matrici; per la sorgente a 1066 nm si è riscontrata
una effettiva diminuzione nella risoluzione in segnale, inoltre la risposta delle tre matrici non
è omegenea come nel caso della sorgente a 407 nm. L’indagine sulle cause di tali differenze
tra le matrici richiedono un analisi più approfondita. È stato sviluppato un software per
acquisizioni automatiche che ha notevolmente ampliato le capacità del banco ottico, sono
quindi possibili misure sul
sensore, che altrimenti sarebbero risultate estremamente
complesse. Sono stati quantificati alcuni fattori di incertezza come l'errore bidirezionale dei
motori e il disallineamento del sensore rispetto alla direzione del fascio, evidenziando alcuni
limiti del banco ottico.
118
Sviluppi futuri
Le misure effettuate tramite il banco ottico permettono di evidenziare alcuni limiti del banco
ottico che possono essere superati effettuando alcune modifiche sul cammino ottico e con un
adeguata struttura di supporto della board dove è presente il sensore. Una prima possibilità e
di eliminare la distanza che separa lente collimatrice e obiettivo ponendo i due oggetti sullo
stesso supporto questo minimizza i fattori di incertezza relativi all'allineamento della lente con
l'obiettivo. Risulta necessario, come verificato durante le misure, un supporto per la
connessione della fibra che impedisca il movimento del core della fibra, in modo da avere
con buona approssimazione il core della fibra nella stessa posizione rispetto alla lente ogni
volta che è necessario rimontarla. L'utilizzo di collimatori dedicati alla specifica lunghezza
d'onda sarebbe opportuno, è possibile infatti trovare una soluzione per cui il collimatore,
l'obiettivo e il supporto della fibra siano tutti inglobati su un unico supporto, questo tipo di
soluzione, a mio avviso, corrisponde all'ottimo in termini economici e qualitativi per il
cammino ottico. Per quanto riguarda il supporto della board è sufficiente evitare l'utilizzo di
materiali plastici, utilizzando ad esempio supporti in alluminio considerando che il singolo
motore può spostare carichi con peso nell'ordine dei 10 20 Kg.
119
Bibliografia
[1] A. Einstein. Teoria dei quanti di luce. Newton-Compton, first edition,1972.
[2] Tommaso Bianchi, “Caratterizzazione di sensori di radiazione a pixel attivi in tecnologia
CMOS mediante laser e raggi X” Università degli Studi di Perugia, Facoltà di Ingegneria,
2006.
[3]Alessandro Della Rocca, "Sviluppo di un banco ottico ad elevata risoluzione spaziale per il
test di sensori CMOS mediante radiazione laser", A.A. 2005/2006.
[4] Daniele Biagetti, “Caratterizzazione elettrica e funzionale di sensori di radiazione a pixel
attivi integrati in tecnologia CMOS da 0.18µm” A.A. 2005/2006.
[5]
F. Rastrello, ” Sviluppo di un setup ottico con laser ad elevata risoluzione per la
caratterizzazione di un sensore di radiazione” Master’s thesis Università degli Studi di
Perugia, Facoltà di Ingegneria,2004.
[6] G. Cannistraro, ” Sviluppo di un sistema di caratterizzazione per sensori di radiazione
(basato su interfaccia USB)” Master’s thesis Università degli Studi di Perugia, Facoltà di
Ingegneria,2004.
[7] National Instruments: http://www.ni.com.
[8] Physikinstrumente:http://www.pi-usa.us.
[9] Software Application Manual SM 84E:LabView™ Virtual InstrumentsforMercury DCMotor Controllers.
120
[10] Wikipedia,http://it.wikipedia.org/wiki/Labview.
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