RIPAMONTI GIANCARLO
In Memoriam
Giancarlo Ripamonti (1956-2019).
L’attività di ricerca del Prof. Ripamonti si è articolata principalmente secondo due direttrici.
In un primo periodo, all’incirca dal 1987 al 1990, l’attività di ricerca prende spunto dall’esigenza di ideare e realizzare nuovi dispositivi SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) in grado di offrire una migliore risoluzione nella misura del tempo di arrivo di singoli fotoni. Negli SPAD precedentemente realizzati dal gruppo del Politecnico di Milano in collaborazione con il LAMEL di Bologna, la risposta del rivelatore agli impulsi ottici rapidi era caratterizzata da due componenti: un picco con una larghezza a metà altezza (full-width at half maximum FWHM) di circa 100 ps, dovuto ai portatori fotogenerati in zona di carica spaziale, e una lunga "coda", dovuta alla diffusione dei portatori fotogenerati in zona neutra. La dipendenza della forma di questa coda dalla lunghezza d'onda dei fotoni incidenti poneva un serio limite alle prospettive degli SPAD in varie applicazioni, quali misure di forme d'onda veloci e laser ranging ad alta risoluzione.
Il Prof. Ripamonti ha contribuito al progetto dei primi dispositivi SPAD a struttura epitassiale, che hanno consentito, da un lato, di ridurre drasticamente la durata della coda di diffusione e la sua dipendenza dalla lunghezza d'onda dei fotoni incidenti e dall’altro, di migliorare sensibilmente la risoluzione temporale del dispositivo (fino a circa 30 ps FWHM a temperatura ambiente e a 20 ps FWHM a -65 °C).
Lo studio delle nuove strutture SPAD ha permesso di identificare nuovi effetti fisici, legati alla dinamica delle cariche in presenza di ionizzazione per impatto. Sulla base delle conoscenze acquisite, il Prof. Ripamonti ha contribuito ad ideare e sviluppare fotorivelatori di nuova concezione, sensibili sia alla posizione che all'istante di arrivo di un singolo fotone.
Nello stesso periodo, il Prof. Ripamonti ha fornito contributi fondamentali alla realizzazione di un riflettometro ottico a singolo fotone in grado di combinare risoluzione spaziale millimetrica, elevata sensibilità e ampia dinamica, fino al rilevamento dello scattering Rayleigh. Ha inoltre sviluppato una procedura originale che consente di ridurre i tempi di misura (fino ad un fattore 50) ed aumentare il range dinamico in misure di riflettometria ottica.
A questo primo ambito di ricerca ha fatto seguito l’investigazione di tecniche di elaborazione dei segnali elettrici in uscita dai rivelatori di radiazione in genere, al fine di massimizzare il rapporto segnale-rumore ed estrarne al meglio l’informazione contenuta.
In particolare, nell’ambito del filtraggio ottimo dei segnali provenienti da rivelatori di particelle nucleari, l’attività di ricerca del Prof. Ripamonti si è concentrata sull’elaborazione digitale e quindi inizialmente sul convertitore analogico-digitale che, per non degradare la misura, deve presentare ottime caratteristiche di linearità e risoluzione. Un limite dei convertitori tradizionali è che è molto difficile la loro integrazione in tecnologia VLSI con sufficiente precisione, stabilità e riproducibilità. Ciò si rivela un limite data la tendenza a integrare su un unico chip la maggior parte possibile della catena di misura, come già è stato fatto per il blocco rivelatore-preamplificatore. In seguito a queste considerazioni di carattere economico e tecnico, si è quindi deciso di verificare le potenzialità dell’impiego di convertitori Sigma-Delta (a sovra-campionamento). Sperimentalmente, si è dapprima realizzato uno spettrometro basato su un convertitore commerciale Sigma-Delta, di cui si è utilizzato il solo modulatore implementando il filtraggio digitale in un DSP, con l’evidente vantaggio di avere in tal modo completa libertà nell’azione di filtraggio del segnale sovra-campionato. Successivamente è stato realizzato il progetto per la realizzazione di un convertitore Sigma-Delta costituito da una sezione analogica configurabile di modulazione e da una sezione di filtraggio digitale implementata in logica programmabile (FPGA), modo da realizzare la migliore sinergia con la successiva elaborazione dell’informazione.
Tra i molteplici temi affrontati dal Prof. Ripamonti, sicuramente emerge la ricerca focalizzata sul problema della localizzazione spaziale dell’interazione di fotoni a diverse energie con il materiale attivo di cristalli rivelatori al germanio iperpuro (HPGe) segmentati di grandissime dimensioni (circa 500 cm3). Il problema è reso estremamente complesso dal fatto che la forma del segnale indotto sugli elettrodi con cui è elettricamente ‘segmentato’ ciascun cristallo dipende fortemente dalle coordinate spaziali del punto di interazione. Inoltre, i rivelatori sono montati contigui a coprire un angolo solido di 4 radianti. Un bersaglio viene collocato al centro della ‘sfera’ racchiusa dai rivelatori e un fascio di particelle, collimato dall’esterno attraverso una fessura appositamente creata nella calotta di rivelatori, viene fatto collidere con il bersaglio e viene rivelato ed analizzato lo sciame di fotoni che in conseguenza all’ urto si libera, per un totale di quasi 3000 elettrodi indipendenti, i.e. canali di cui processare in parallelo on-line i segnali. Il prof. Ripamonti ha concepito ed implementato mediante architetture di DSP un algoritmo innovativo per la stima delle coordinate spaziali di eventi diversi che interagiscono contemporaneamente nel medesimo segmento di un rivelatore (a cui compete pertanto un solo segnale elettrico complessivo).
Tra i più significativi oggetti dell’attività in questo ambito è stato lo studio approfondito di architetture ed algoritmi innovativi applicati al trattamento dei segnali in uscita dai rivelatori, in particolare di sistemi complessi per spettroscopia X e gamma multicanale. Innanzitutto, il Prof. Ripamonti ha contribuito a mettere a punto un nuovo sistema basato sul trattamento digitale dei campioni ottenuti digitalizzando l’impulso di segnale all’uscita da un circuito di condizionamento. Il sistema implementato massimizza il rapporto segnale-rumore nella stima dell’ampiezza e dell’istante di generazione del segnale e rappresenta un’alternativa digitale del processore ottimo analogico derivato dalla teoria del filtraggio ottimo. Il sistema è in grado di sintetizzare automaticamente il miglior filtro possibile attraverso la misura on-line del rumore effettivamente presente nell’esperimento e con vincoli arbitrari in tempo ed in frequenza, il che consente di ottenere la migliore risoluzione e permette una completa flessibilità di adattamento a condizioni operative comunque variabili. Sono state altresì sviluppate due tecniche innovative digitali per il triggering di eventi e la misura precisa della linea di base, nonché sono state messe a punto nuove architetture analogiche di condizionamento dei segnali a monte della digitalizzazione le quali sono volte ad ottimizzare contemporaneamente il processo di conversione analogico-digitale e la successiva elaborazione digitale.
L’attività di ricerca del Prof. Ripamonti si è articolata principalmente secondo due direttrici.
In un primo periodo, all’incirca dal 1987 al 1990, l’attività di ricerca prende spunto dall’esigenza di ideare e realizzare nuovi dispositivi SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) in grado di offrire una migliore risoluzione nella misura del tempo di arrivo di singoli fotoni. Negli SPAD precedentemente realizzati dal gruppo del Politecnico di Milano in collaborazione con il LAMEL di Bologna, la risposta del rivelatore agli impulsi ottici rapidi era caratterizzata da due componenti: un picco con una larghezza a metà altezza (full-width at half maximum FWHM) di circa 100 ps, dovuto ai portatori fotogenerati in zona di carica spaziale, e una lunga "coda", dovuta alla diffusione dei portatori fotogenerati in zona neutra. La dipendenza della forma di questa coda dalla lunghezza d'onda dei fotoni incidenti poneva un serio limite alle prospettive degli SPAD in varie applicazioni, quali misure di forme d'onda veloci e laser ranging ad alta risoluzione.
Il Prof. Ripamonti ha contribuito al progetto dei primi dispositivi SPAD a struttura epitassiale, che hanno consentito, da un lato, di ridurre drasticamente la durata della coda di diffusione e la sua dipendenza dalla lunghezza d'onda dei fotoni incidenti e dall’altro, di migliorare sensibilmente la risoluzione temporale del dispositivo (fino a circa 30 ps FWHM a temperatura ambiente e a 20 ps FWHM a -65 °C).
Lo studio delle nuove strutture SPAD ha permesso di identificare nuovi effetti fisici, legati alla dinamica delle cariche in presenza di ionizzazione per impatto. Sulla base delle conoscenze acquisite, il Prof. Ripamonti ha contribuito ad ideare e sviluppare fotorivelatori di nuova concezione, sensibili sia alla posizione che all'istante di arrivo di un singolo fotone.
Nello stesso periodo, il Prof. Ripamonti ha fornito contributi fondamentali alla realizzazione di un riflettometro ottico a singolo fotone in grado di combinare risoluzione spaziale millimetrica, elevata sensibilità e ampia dinamica, fino al rilevamento dello scattering Rayleigh. Ha inoltre sviluppato una procedura originale che consente di ridurre i tempi di misura (fino ad un fattore 50) ed aumentare il range dinamico in misure di riflettometria ottica.
A questo primo ambito di ricerca ha fatto seguito l’investigazione di tecniche di elaborazione dei segnali elettrici in uscita dai rivelatori di radiazione in genere, al fine di massimizzare il rapporto segnale-rumore ed estrarne al meglio l’informazione contenuta.
In particolare, nell’ambito del filtraggio ottimo dei segnali provenienti da rivelatori di particelle nucleari, l’attività di ricerca del Prof. Ripamonti si è concentrata sull’elaborazione digitale e quindi inizialmente sul convertitore analogico-digitale che, per non degradare la misura, deve presentare ottime caratteristiche di linearità e risoluzione. Un limite dei convertitori tradizionali è che è molto difficile la loro integrazione in tecnologia VLSI con sufficiente precisione, stabilità e riproducibilità. Ciò si rivela un limite data la tendenza a integrare su un unico chip la maggior parte possibile della catena di misura, come già è stato fatto per il blocco rivelatore-preamplificatore. In seguito a queste considerazioni di carattere economico e tecnico, si è quindi deciso di verificare le potenzialità dell’impiego di convertitori Sigma-Delta (a sovra-campionamento). Sperimentalmente, si è dapprima realizzato uno spettrometro basato su un convertitore commerciale Sigma-Delta, di cui si è utilizzato il solo modulatore implementando il filtraggio digitale in un DSP, con l’evidente vantaggio di avere in tal modo completa libertà nell’azione di filtraggio del segnale sovra-campionato. Successivamente è stato realizzato il progetto per la realizzazione di un convertitore Sigma-Delta costituito da una sezione analogica configurabile di modulazione e da una sezione di filtraggio digitale implementata in logica programmabile (FPGA), modo da realizzare la migliore sinergia con la successiva elaborazione dell’informazione.
Tra i molteplici temi affrontati dal Prof. Ripamonti, sicuramente emerge la ricerca focalizzata sul problema della localizzazione spaziale dell’interazione di fotoni a diverse energie con il materiale attivo di cristalli rivelatori al germanio iperpuro (HPGe) segmentati di grandissime dimensioni (circa 500 cm3). Il problema è reso estremamente complesso dal fatto che la forma del segnale indotto sugli elettrodi con cui è elettricamente ‘segmentato’ ciascun cristallo dipende fortemente dalle coordinate spaziali del punto di interazione. Inoltre, i rivelatori sono montati contigui a coprire un angolo solido di 4 radianti. Un bersaglio viene collocato al centro della ‘sfera’ racchiusa dai rivelatori e un fascio di particelle, collimato dall’esterno attraverso una fessura appositamente creata nella calotta di rivelatori, viene fatto collidere con il bersaglio e viene rivelato ed analizzato lo sciame di fotoni che in conseguenza all’ urto si libera, per un totale di quasi 3000 elettrodi indipendenti, i.e. canali di cui processare in parallelo on-line i segnali. Il prof. Ripamonti ha concepito ed implementato mediante architetture di DSP un algoritmo innovativo per la stima delle coordinate spaziali di eventi diversi che interagiscono contemporaneamente nel medesimo segmento di un rivelatore (a cui compete pertanto un solo segnale elettrico complessivo).
Tra i più significativi oggetti dell’attività in questo ambito è stato lo studio approfondito di architetture ed algoritmi innovativi applicati al trattamento dei segnali in uscita dai rivelatori, in particolare di sistemi complessi per spettroscopia X e gamma multicanale. Innanzitutto, il Prof. Ripamonti ha contribuito a mettere a punto un nuovo sistema basato sul trattamento digitale dei campioni ottenuti digitalizzando l’impulso di segnale all’uscita da un circuito di condizionamento. Il sistema implementato massimizza il rapporto segnale-rumore nella stima dell’ampiezza e dell’istante di generazione del segnale e rappresenta un’alternativa digitale del processore ottimo analogico derivato dalla teoria del filtraggio ottimo. Il sistema è in grado di sintetizzare automaticamente il miglior filtro possibile attraverso la misura on-line del rumore effettivamente presente nell’esperimento e con vincoli arbitrari in tempo ed in frequenza, il che consente di ottenere la migliore risoluzione e permette una completa flessibilità di adattamento a condizioni operative comunque variabili. Sono state altresì sviluppate due tecniche innovative digitali per il triggering di eventi e la misura precisa della linea di base, nonché sono state messe a punto nuove architetture analogiche di condizionamento dei segnali a monte della digitalizzazione le quali sono volte ad ottimizzare contemporaneamente il processo di conversione analogico-digitale e la successiva elaborazione digitale.
