Characterization of GET Electronics coupled to the CHIMERA and FARCOS multi-detectors for nuclear reaction studies

Alle energie di Fermi, (da circa 30 MeV per nucleone a circa 100 AMeV) gli studi sulla struttura nucleare e sulla dinamica delle reazioni tra ioni pesanti devono affrontare la rivelazione e l'identificazione di un gran numero di particelle (da 10 a 100, sia cariche che neutre) prodotte negli stati finali. L’elevato numero di frammenti generati in tali reazioni copre un ampio range di energia, massa e angolo; a tale scopo, con l'inizio del nuovo millennio, ai LNS (Laboratori Nazionali del Sud) di Catania è stato realizzato un multi rivelatore a geometria 4π, denominato CHIMERA (Charged Heavy Ion Mass and Energy Resolving Array). Questo apparato è costituito da 1192 telescopi formati da un primo rivelatore a trasmissione (Si da 300 µm) seguito da un rivelatore (CsI(Tl) da 6-12cm) in cui si arrestano le particelle più penetranti. L’apparato è dotato di un’elettronica a componenti discrete che, anche attraverso l’analisi in forma del segnale prodotto dalle particelle rivelate, ne permette il riconoscimento in carica e/o massa in un ampio range dinamico. L’obsolescenza dell’attuale elettronica che processa i segnali dei rivelatori CsI(Tl) ha fatto emergere l’esigenza di un’elettronica di nuova generazione. Dagli studi effettuati sulle collisioni tra ioni pesanti è emersa inoltre l’esigenza di sviluppare un nuovo correlatore ad elevata risoluzione energetica ed angolare. Per questo motivo è stato progettato FARCOS (Fentomscope ARray for COrrelation and Spettroscopy). Come CHIMERA, anch’esso è formato da rivelatori al Silicio (Si) e da rivelatori allo Ioduro di Cesio drogati con Tallio (CsI(Tl)). Il progetto FARCOS prevede la realizzazione di 20 telescopi, ognuno dei quali costituito da tre stadi. I primi due stadi sono costituiti da 32 strip front e 32 strip back di silicio; il terzo è formato da 4 scintillatori di CsI(Tl). Grazie alla segmentazione in strip Farcos permetterà di misurare la posizione di rivelazione delle particelle con precisione di 2x2 mm2. Ogni telescopio però richiede la gestione di ben 132 canali elettronici indipendenti. Quasi 4000 canali in tutto da controllare, considerando il progetto FARCOS (circa 2600 canali elettronici) ed i CsI(Tl) di CHIMERA (circa 1200 rivelatori). Si è pensato allora di gestirli utilizzando l’elettronica compatta ed integrata sviluppata con il progetto GET (Generic Electronics for Tpc). Questa nuova elettronica ci permette di usare i preamplificatori sviluppati appositamente per i rivelatori di CHIMERA e FARCOS e di campionare i segnali facendoli anche eventualmente passare attraverso uno stadio di filtro con shaper settabile in base all’esperimento in esame. L’elettronica GET ci da anche la possibilità di cambiare la frequenza di campionamento (da 1 MHz a 100 MHz) e di sottrarre il rumore caratteristico dell’elettronica dai segnali digitalizzati. Grazie allo sviluppo di particolari filtri software, attraverso il tempo di salita ed il massimo dell’impulso abbiamo ottenuto delle matrici di identificazioni con una eccellente caratterizzazione in massa ed energia delle particelle rivelate. La possibilità di conservare le tracce digitalizzate dei segnali acquisiti durante i test ci ha dato l’opportunità di lavorare offline sui parametri dei filtri digitali per aumentare ulteriormente la risoluzione isotopica delle particelle rivelate. Un altro vantaggio dell’elettronica digitale è la possibilità di misurare il pedestal e di sottrarlo evento per evento, migliorando così la risoluzione energetica. Con l’elettronica GET infatti abbiamo ottenuto 100 ps di risoluzione temporale contro i 250 ps di risoluzione minima dell’acquisizione standard. Anche il tempo morto di 200 µs misurato con GET è del tutto accettabile in quanto paragonabile a quello della acquisizione standard. La scelta dell’elettronica GET per il progetto FARCOS e per i CsI(Tl) di CHIMERA si è rivelata ottima e i risultati ottenuti spingono a pensare di adottare l’elettronica GET o sue future implementazioni anche per i Silici di CHIMERA.