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Progetto ReadOut


Il programma di ricerca riguarda lo sviluppo di sistemi di trasduzione di spostamento e amplificazione del segnale in grado di operare nel range di frequenza audio con sensibilità vicino al limite quantico. La destinazione finale di tali sistemi consiste nell'impiego nei rivelatori risonanti di onde gravitazionali di nuova generazione che promettono alta sensibilità in una banda molto larga di frequenze (1-5 kHz) e sono attualmente in fase di progettazione.



Il sistema di trasduzione e amplificazione obiettivo della ricerca è costituito da un trasduttore di spostamento capacitivo, da una rete di adattamento di impedenza e da un amplificatore SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)


L'obiettivo richiede un impegno su tutti gli elementi che costituiscono la catena di trasduzione sia mediante miglioramento di tecniche e dispositivi già impiegati in passato sia mediante lo sviluppo e l'utilizzo di nuovi elementi. In particolare, si realizzeranno amplificatori SQUID a doppio stadio in grado di operare a temperature fino a 100 mK per portare la risoluzione in energia dagli attuali 100 h a meno di 10 h (1h'1.05'10-34 J Hz-1). La risoluzione in energia e la corrispondente temperatura di rumore verranno valutate attraverso una caratterizzazione completa delle sorgenti di rumore dell'amplificatore SQUID. La rete elettrica di matching dovrà essere realizzata in modo che dissipazioni e risonanze diano, nella banda di frequenza di interesse, un contributo trascurabile al rumore complessivo. Il miglioramento in sensibilità nella trasduzione di spostamento verrà perseguito mediante l'uso di sistemi di amplificazione meccanica. Questa soluzione, innovativa nel campo dei rivelatori risonanti di onde gravitazionali, necessita di uno studio sistematico per la modellizzazione e progettazione di tali amplificatori, affiancato da esperimenti per valutarne dissipazione meccanica e per verificarne le proprietà dinamiche.

Parternariato:

Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN) CNR - ITC
Il gruppo di lavoro sviluppa e caratterizza dispositivi superconduttori per la rivelazioni di segnali deboli in esperimenti di fisica fondamentale fin dai primi anni 90.
Le principali attuali linee di ricerca riguardano lo sviluppo di amplificatori SQUID a doppio stadio a basso rumore e la loro caraterizzazione fino a temperature ultracriogeniche in termini di rumore additivo e di back action mediante accoppiamento con risonatori elettrici ad alto fattore di qualità, la realizzazione dello stadio di adattamento di impedenza a basse perdite per il trasduttore di spostamento capacitivo del rivelatore di onde gravitazionali AURIGA, lo studio mediante modellizzazione di nuovi schemi di rivelazione per rivelatori risonanti di onde gravitazionali.
Tra i principali risultati scientifici del gruppo vanno ricordati la misura della più bassa temperatura di rumore mai realizzata in un amplificatore, il record di sensibilità del rivelatore AURIGA, la definizione di limiti più stringenti al flusso di onde gravitazionali (ottenuta in collaborazione con gli altri 4 rivelatori operanti nel mondo).
Il gruppo lavora in stretta collaborazione scientifica con il Laboratorio di Basse Temperature del Dipartimento di Fisica dell'Università di Trento e con L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare nell'ambito del progetto AURIGA presso i Laboratori Nazionali di Legnaro; collabora inoltre con diversi istituti di ricerca e aziende.

EnginSoft
EnginSoft è una piccola-media industria che opera nel settore della sperimentazione virtuale con riferimento sia all'applicazione delle relative tecnologie alla maggior parte dei campi dove possa derivarne utilità pratica (meccanica dei continui, fluidodinamica, acustica, metallurgia, simulazione di processo, materiali porosi, ingegneria ambientale, ed altri), sia all'applicazione di tecnologie IT (automazione di progetto/processo, parametrizzazione, esplorazione dello spazio di progetto, progettazione robusta, ottimizzazione multiobiettivo, progettazione parallela, strumenti di supporto alle decisioni, ingegneria inversa, ingegneria on-line). La società è anche un laboratorio riconosciuto dal MIUR per il trasferimento di tecnologia all'industria nello specifico settore.
EnginSoft è stata fondata nel 1984 con un partenariato iniziale derivante da precedenti attività in altre strutture affini, attive sino dal 1973. L'esperienza del gruppo è maturata attraverso una varietà di progetti di ricerca industriale e di servizi a questi connessi, sviluppati in stretto collegamento con università e centri di ricerca.
Sin dalla fondazione, EnginSoft ha avuto una vivace partecipazione in progetti di ricerca, sia finanziati dalla Comunità Europea, che da agenzie/strutture nazionali.

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
Il gruppo INFN ha realizzato ed attualmente opera il rivelatore AURIGA dal 1997. L'attività scientifica dei suoi componenti si è focalizzata in particolare sulla criogenia, sui sistemi di trasduzione-amplificazione del segnale e sull'analisi dati. Il criostato del rivelatore è dotato di un refrigeratore a diluizione He3-He4 in grado di raffreddare una barra di alluminio (l'antenna) del peso di 2.3 tonnellate a 100 mK e fornire, grazie ad un sistema di sospensioni meccaniche, 240 dB di attenuazione del livello ambientale di vibrazione alla frerquenza di operazione del rivelatore (circa 1 kHz). Il trasduttore di spostamento è di tipo capacitivo con amplificazione SQUID.
L'attività di ricerca è dedicata anche allo sviluppo di nuovi trasduttori. A questo riguardo, l'utilizzo della facility, in operazione dal 2001, per il test completo a temperature ultracriogeniche dei sistemi di trasduzione-amplificazione, si è dimostrato un passo di fondamentale importanza.
Il gruppo sta attualmente sviluppando il concetto di rivelatore 'Dual' per arrivare a comprendere la sua realizzabilità ed avviare un design concettuale. A tale fine si stanno studiando metodi e materiali per la sua realizzazione, rumore termico e termoelastico, trasduttori non risonanti con schemi di lettura selettivi e l'opportunità di operare il rivelatore in laboratori sotterranei per limitare l'effetto dei raggi cosmici.

Dipartimento di Fisica, Università di Trento (UNI TN)
Il Dipartimento di Fisica dell`Università di Trento svolge attività di ricerca in molteplici campi della fisica di base con il supporto dei maggiori enti di ricerca e agenzie nazionali. Di particolare rilevanza per questo progetto sono le collaborazioni con IFN-ITC-CNR e INFN attive dagli anni ottanta. All`interno del Dipartimento, questo progetto coinvolge il Laboratorio di Gravitazione Sperimentale e di Fisica delle Basse Temperature, la cui attività di ricerca è focalizzata su esperimenti volti alla rivelazione delle onde gravitazionali sia a terra che nello spazio.
Il Laboratorio contribuisce alla progettazione e sviluppo del primo rivelatore interferometrico ad alta sensibilità nello spazio (LISA: Laser Interferometer Space Antenna) occupandosi in particolare dello sviluppo e realizzazione del sensore inerziale per il sistema drag-free di LISA e del suo test a terra. Ha la responsabilità inoltre della definizione dell'architettura della missione spaziale dimostrativa della tecnologia di LISA ( il Lisa Tecnology Package, LTP).
Nell'ambito dei rivelatori operanti a terra il gruppo ha contribuito allo sviluppo, alla realizzazione e alla operazione del rivelatore risonante per onde gravitazionali AURIGA, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell`INFN, all`analisi dei dati del primo osservatorio per onde gravitazionali costituito dalla rete dei 5 rivelatori risonanti operativi nel mondo e allo studio di fattibilità per rivelatori risonanti a larga banda di nuova concezione.
Di particolare rilevanza per questo progetto sono i risultati scientifici ottenuti nell`ambito dell`esperimento AURIGA finanziato dall`INFN, in particolare negli aspetti relativi alla criogenia, alle sospensioni meccaniche, ai sistemi di trasduzione e amplificazione dei segnali. Il rivelatore AURIGA ha stabilito prestazioni record nel 1999 per segnali impulsivi [ampiezza rms del rumore corrispondente ad una componente di Fourier dell`onda di 2x10-22 /Hz]. Il sistema SQUID a doppio stadio realizzato con il gruppo IFN CNR-ITC ha dimostrato la più bassa temperatura di rumore mai misurata in un amplificatore (16 ?K a T=1.5 K). Stiamo inoltre contribuendo allo sviluppo di rivelatori per onde gravitazionali di nuova concezione basati su antenne risonanti doppie e nidificate, in particolare nella ideazione ed modellizzazione di tipologie toroidali di tali rivelatori e nello sviluppo di sistemi di trasduzione di spostamento non risonanti che garantiscano una banda di frequenze di sensibilità molto larga. Anche questa attività è in stretta collaborazione con il gruppo IFN CNR-ITC e il gruppo INFN. Le potenzialità di tali rivelatori sono estremamente interessanti: la sensibilità ottenibile risulterebbe complementare a quella predetta per i rivelatori interferometrici basati a terra di seconda generazione.

Istituzione: Divisione Microsistemi - ITC-irst
Il Centro per la ricerca scientifica e tecnologica (ITC-irst) è un centro di ricerca pubblico della Provincia Autonoma di Trento, fondato nel 1976. Per quasi trent'anni ha portato avanti ricerche nelle aree delle Tecnologie dell'Informazione, dei Microsistemi e della Fisica Chimica delle Superfici e delle Interfacce. Oggi l'ITC-irst è un centro di ricerca riconosciuto internazionalmente, con un bilancio di circa 20 milioni di euro, attento alle esigenze del territorio, che collabora con il sistema locale e con altri centri, università, laboratori pubblici e privati in Italia e all'estero. Le attività di ricerca sono orientate verso la soluzione di problemi reali e sono guidate dalla necessità di innovazione tecnologica della società e delle imprese. Il centro si occupa anche di diffusione e disseminazione dei risultati della ricerca e di trasferimento tecnologico alle imprese e agli enti pubblici. Il personale è costituito da circa 220 ricercatori, di cui un centinaio a tempo indeterminato. Il centro è articolato in cinque divisioni e due unità applicative: Sistemi di Ragionamento Automatico (SRA), Sistemi Sensoriali Interattivi (SSI), Tecnologie Cognitive e della Comunicazione (TCC), Fisica Chimica delle Superfici e Interfacce (FCS), Microsistemi (MIS), Informatica Medica e Telemedicina (IMT) e Commercio Elettronico e Turismo (eCTRL).
La divisione Microsistemi (MIS) dell'ITC-irst, attiva dal 1991, è diventata uno dei punti di riferimento per la ricerca e lo sviluppo di microsensori in silicio e per la tecnologia collegata. Ricerca di base è svolta in collaborazione con Università e Centri di Ricerca, mentre ricerca applicata, per lo sviluppo di dispositivi prototipali e microsistemi completi di interesse commerciale, è sviluppata in collaborazione con l'industria, generalmente Piccola e Media Impresa. La disponibilità di un laboratorio di microfabbricazione così come di apparecchiature per la progettazione ed il testing permettono di sviluppare una notevole varietà di dispositivi delle dimensioni del micrometro, spaziando dai microsensori integrati in silicio a sistemi custom, e.g. AISC-CMOS.
Da cinque anni particolare attenzione viene data allo sviluppo di MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) a alla tecnologia collegata del surface e bulk micromachining in silicio con lo scopo di integrare la più convenzionale tecnologia CMOS. Processi non-standard sono disponibili per la fabbricazione di dispositivi opto-elettronici, biosensori, sensori di pressione e di gas, rivelatori di raggi X come diodi PIN e camere a deriva.
E' disponibile l'expertise per la progettazione VLSI, la progettazione di interface dedicate per sensori, modellistica e simulazione di processo e microstrutture, moduli tecnologici per MEMS, ISFET e LAPS, testing parametrico e funzionale.
Negli ultimi anni si è acquisito un notevole know-how per quel che riguarda la simulazione e la modellistica di MEMS e di processo CMOS, con acquisizione di tool software specializzati, dedicati al settore dei microsistemi.

Justus Liebig Universität Gießen (UNI GIESSEN)
Il gruppo è attivo nella preparazione e caratterizzazione sia di SQUID ad alta sensibilità realizzati a partire da superconduttori convenzionali che di altri dispositivi crioelettronici quali ad esempio i bolometri ad elevata sensibilità. La nostra attività di ricerca è focalizzata sullo studio del rumore termico e del rumore in eccesso a bassa frequenza in SQUID, sullo sviluppo di amplificatori a radio frequenza basati su SQUID, su misure non distruttive realizzate con SQUID, sullo sviluppo di microscopi SQUID ad alta risoluzione spaziale e sulla preparazione di giunzioni Josephson e SQUID di dimensioni nanometriche per un possibile impiego in 'quantum computing'.
Siamo dotati di una camera pulita classe 100 per fotolitografia e dell'attrezzatura necessaria per la realizzazione di film sottili e loro 'patterning'. Il gruppo utilizza un microscopio SQUID e, in collaborazione con due imprese, un sistema SQUID entrambi per misure non distruttive su campioni a temperatura ambiente.
Abbiamo collaborazioni scientifiche con W.C.Heraeus GmbH&Co KG e WSK Messtechnik GmbH, entrambi ad Hanau, in Germania, sulle misure non distruttive, con l'Università della California a Berkeley sugli amplificatori SQUID a radio frequenza e sulla risonanza magnetica nucleare a bassi campi, con l'Università di Waterloo in Canada sul 'quantum computing' e con l'Università di Mosca sulla tomografia magnetica.

Deliverables

  • Stima della minima temperatura di operazione per il sistema SQUID-risonatore (questo risultato definirà uno dei limiti tecnologici alle prestazioni del sistema di trasduzione di spostamento per i rivelatori risonanti di o. g. in fase di definizione di progetto). Realizzazione di test ultracriogenici per la misura della temperatura di rumore di amplificatori SQUID in differenti configurazioni.
  • Verifica della possibilità di riprodurre a frequenze audio la sensibilità vicina al limite quantico ottenuta a 1 GHz.
  • Identificazione dei componenti responsabili del rumore 1/f nell'amplificatore SQUID. Caratterizzazione in temperatura della componente 1/f. Studio dell'effetto del design dello SQUID washer sul rumore 1/f.
  • Stima del contributo dell'effetto 'hot electron' al rumore totale dello SQUID. Verifica della compatibilità tra resistenze di shunt con alette di raffreddamento e il loro rumore magnetico termico raccolto dallo SQUID loop.
  • Misura delle perdite della rete di matching. Verifica della stabilità del sistema composto da rete di matching e amplificatore SQUID.
  • Design preliminare dell'amplificatore meccanico. Modello parametrico dell'amplificatore con riguardo alla geometria e alle variabili di design del materiale.
  • Documentazione completa dello spazio di design, dei limiti del problema e della realizzabilità del progetto. Risultati del trade-offs, what-if, e studi di sensibilità. Definizione della migliore soluzione di design possibile in accordo con la funzione di trasferimento dinamico richiesta.
  • Realizzazione di prototipi fisici. Misure a temperatura ambiente e criogeniche delle funzioni di trasferimento e di dissipazione meccanica. Ampia verifica dei modelli.
  • Design di un elemento meccanico con contributo di rumore termico trascurabile rispetto al rumore totale del trasduttore elettromeccanico.
  • Calcolo della rete di matching elettrica ottimale per il trasferimento del segnale allo SQUID. Utilizzo dei risultati nel subtask 1.5.

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