Studio di fotodiodi a valanga per il calorimetro CMS al LHC del CERN"

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Indice Introduzione 4 1 L'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) 6 1.1 L'acceleratore Large Hadron Collider (LHC) . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1 La ricerca del Bosone di Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.2 LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Il magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Il Rivelatore di vertice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3 Il calorimetro elettromagnetico (ECAL) . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3.1 Risoluzione in massa invariante . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.3.2 Risoluzione in energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.3.3 Ambiente radiattivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4 Calorimetro adronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.5 Rivelatori a muoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Studi teorici sui Fotodiodi a valanga (APD) 18 2.1 Generalita sui fotorivelatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Dispositivi a vuoto. Il fotomoltiplicatore . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Fotorivelatori a semiconduttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Introduzione alla fotoconduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.2 Fotodiodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.2.1 Diodi a giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.2.2 Principio di funzionamento del fotodiodo . . . . . . . . 24 II
2.3.2.3 Caratteristiche generali . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Diodi a giunzione p i n (PIN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.3.1 Struttura base del PIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.3.2 Ecienza quantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.3.3 Corrente oscura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.3.4 Nuclear Counter Eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4 Fotodiodi a valanga (APD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4.1 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.2 Metodi di costruzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.2.1 Metodo della diusione . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.2.2 Metodo della impiantazione ionica (Inculcazione) . . . 36 2.4.2.3 Metodo di crescita epitassiale . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4.3 Caratteristiche degli APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.3.1 Guadagno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.3.2 Ecienza quantica " Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.3.3 Nuclear Counter Eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.3.4 Corrente oscura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.3.5 Capacita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.3.6 Problemi di rumore elettronico nell' APD . . . . . . . 44 2.4.3.7 Excess Noise Factor F . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4.3.8 Confronto tra i diversi tipi di fotorivelatori . . . . . . . 47 2.5 Applicazioni nella sica delle alte energie. Il rivelatore per l'esperimento a CMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3 Misure di APD 51 3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 Apparato sperimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.1 Misura della corrente oscura I D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.2 Misura del guadagno M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.3 Misura dell'ecienza quantica " Q . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.4 Misura dell'Excess Noise Factor F . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 III
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