Gli acceleratori di particelle
hanno permesso alla fisica subnucleare di scoprire i costituenti
fondamentali della struttura atomica, divenendo ormai un tipico
strumento d'indagine negli esperimenti di fisica delle alte energie.
Per questo motivo è necessario costruire acceleratori sempre più
potenti, poiché maggiore è l'energia impressa alle particelle nella
collisione, più è possibile penetrare all'interno dell'atomo. Infatti,
negli acceleratori quando due fasci di particelle accelerati in
versi opposti collidono tra loro, grazie alle quantità di energia
impresse le particelle vengono convertite in altre forme di materia,
rendendo possibile l'osservazione di nuove particelle. La conoscenza
esatta della posizione delle particelle generate dall'urto, permette
di confermare o confutare talune teorie. Qui si pone il problema
di come rilevare la loro posizione, giacché il flusso sviluppato
è notevole; quindi i sensori di radiazione occupano un ruolo decisivo.
I rilevatori sinora usati, vale a dire ad accoppiamento di carica
(CCD) e microstriscia hanno ormai raggiunto il proprio limite, perché
oltre alle basse frequenze operative hanno una bassa resistenza
al danno da radiazione e il loro costo è elevato poiché richiedono
dei processi di fabbricazione specifici. Bene si prestano, invece,
i rilevatori cmos in quanto permettono una serie di vantaggi che
in breve tempo sostituiranno i precedenti in impieghi specifici
come quello degli acceleratori di particelle.
Già si sono affacciati
prepotentemente sul mercato dei rilevatori di luce visibile imponendo,
di fatto, un nuovo standard nell'ambito dell'ottica, vale a dire
videocamere e fotocamere digitali. Questo salto di qualità è stato
possibile grazie agli investimenti che sono stati effettuati dai
colossi dell'informatica, come Intel e Amd, in questo settore per
altri impieghi come la realizzazione di processori consentendo così
una notevole miniaturizzazione dei dispositivi. Sfruttando queste
tecnologie è possibile sviluppare sensori a basso costo e con prestazioni
elevate.
Questo studio si è rivolto
alla realizzazione su di un chip prototipo di due architetture di
lettura che sfruttano sensori tipo cmos: una Active Pixel Sensor
(APS) e un'altra Weak Inversion Pixel Sensor (WIPS). L'Aps è una
struttura estremamente recente e già commercializzata nel campo
della rivelazione di luce visibile. Si è usata questa soluzione
adattata per l'impiego specifico per rilevazione ad alta energia.
Il Wips invece rappresenta uno schema completamente nuovo, ideato
e pensato specificatamente per questo tipo di rilevazione. L'attuale
lavoro punta a mostrare tutti gli aspetti più profondi di questa
nuova soluzione confrontandoli con l'architettura Aps, evidenziandone
il miglioramento di alcune prestazioni: Notevole riduzione del consumo
di potenza Elevato rapporto segnale/rumore Annullamento del fenomeno
"abbagliamento" Notevoli margini di miglioramento
Il chip sviluppato rientra
nell'ambito del progetto Radiation Active Pixel Sensor (R.A.P.S),
realizzato in collaborazione con l'università di Perugia e finanziato
dall'istituto nazionale di fisica nucleare (I.N.F.N); pertanto l'intero
progetto si è dipanato secondo le tempistiche e le problematiche
di un processo produttivo vero e proprio. E' stato prodotto dalla
UMC, azienda leader nel settore dei semiconduttori, presso la Fab8c
situata in Taiwan, che ha consentito l'impiego della tecnologia
cmos 0.18mm twin-well con substrato p e alimentazione 1.8V per il
core e 3.3V per I/O caratterizzata da uno strato d'ossido spesso
solo 3.3nm.
Questo chip e parte dei
risultati di questo studio sono stati presentati sinora già in due
conferenze: una a PIXEL 2002 International Workshop on Semiconductor
Pixel Detectors For Particles and X-Rays, tenutosi a Carmel in California
nel settembre 2002 e un'altra a VERTEX 2002 11th International Workshop
on Vertex Detectors, tenutosi alle isole Hawaii nel novembre del
2002.
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