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Fibre Bragg Gratings to monitor the deformations of a silicon microstrip vertex detector

The purpose of this research is to investigate whether Fibre Bragg Grating (FBG) technology is suitable to measure the deformations of a silicon microstrip detector module. For the first time, the study of the deformations was carried out using bare FBG sensors glued onto the detector itself.
Microstrip lateral deflection as a function of time. Set 1 region: events used to train the algorithm. Set 2 region: events used to test the algorithm

10.1016/j.nima.2018.05.038

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900218306533

DIFA Authors: Roberto Donà (DIFA/INFN-BO)

An important issue concerning tracking detectors is that they undergo deformations, which, if not negligible, may worsen the detector intrinsic resolution. The objective of this study is to assess the reliability and the accuracy of Fibre Bragg Grating (FBG) technology to monitor the deformations of a silicon microstrip detector under stationary thermal conditions. For this purpose, a detector module was employed, of the same type as those composing the vertex detector of the FINUDA apparatus at DAFNE.

Two bare FBG sensors were glued close to the border of the silicon microstrip detectors and their responses were compared with the response of a CCD laser displacement sensor over a time period of 24 days. It was observed that the microstrip detector module does not remain flat and changes continuously its shape with time because of the temperature fluctuations and the mechanical stresses driven by the temperature changes. Moreover, the FBG sensor responses show short- and long-term timescales with different effective thermal sensitivities.

A machine-learning based auto-calibration method to determine the quantitative relationship between the Bragg wavelengths of the gratings and the lateral deflection of the microstrip module was developed. This method does not require either knowledge of the exact position or calibration of the individual FBG sensor. It was demonstrated that it is possible to correlate the FBG sensor responses with the measurements of the CCD laser displacement sensor and that FBG responses can be used to reconstruct the deflection of the microstrip module with an accuracy of approximately 10 µm. The results obtained suggest that an improved accuracy could be achieved by employing a larger number of FBG sensors in order to take into account deformations more complex than pure bending.

Reticoli di Bragg in fibra ottica per il monitoraggio delle deformazioni di un rivelatore di vertice a microstrip di silicio

Lo scopo di questa ricerca è di investigare se la tecnologia dei sensori di Bragg in fibra ottica (FBG) è idonea per misurare le deformazioni di un modulo di un rivelatore a microstrip di silicio. Per la prima volta si sono usati sensori FBG nudi incollati direttamente sul rivelatore a microstrip.

Un problema importante relativo ai rivelatori di traccia è che essi si deformano, cosa che può peggiorare la loro risoluzione intrinseca Scopo di questo studio è valutare l’affidabilità e l’accuratezza dei sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG) per monitorare le deformazioni di un rivelatore a microstrip di silicio in condizioni termiche stazionarie. A tal fine è stato utilizzato un modulo di rivelatore identico a quelli che costituivano il rivelatore di vertice dell’apparato FINUDA a DAFNE.

Due sensori FBG nudi sono stati incollati vicino al bordo dei rivelatori a microstrip del modulo e le loro risposte sono state confrontate con quella di un sensore di spostamento laser CCD per un periodo di 24 giorni. Si è osservato che il modulo del rivelatore cambia incessantemente la propria forma a causa delle fluttuazioni di temperatura e degli effetti di stress meccanico causati dalle variazioni di temperatura. Inoltre si è trovato che la risposta di ciascun sensore FBG è caratterizzata da scale temporali di diversa durata a ciascuna delle quali è associata una diversa sensibilità termica efficace.

Per determinare la relazione quantitativa tra le lunghezze d’onda di Bragg dei reticoli e la deflessione laterale del modulo, è stato sviluppato un metodo per l’autocalibrazione dei sensori FBG secondo un approccio machine learning. Questo metodo non richiede la conoscenza dell’esatta posizione dei sensori FBG né la loro calibrazione individuale. Si è dimostrato che è possibile correlare le risposte dei sensori FBG con le misure del sensore laser CCD e che le risposte dei sensori FBG permettono di ricostruire la deflessione del modulo del rivelatore con una precisione di circa 10 µm. I risultati ottenuti indicano inoltre che l’accuratezza raggiunta può essere migliorata utilizzando un numero più grande di sensori FBG per tenere in considerazione deformazioni più complesse della flessione pura.