Presentazione tesi per la prelaurea in formato pdf - Davide Raimondi

1. PROGETTO E SVILUPPO
DELLO STADIO DI
AMPLIFICAZIONE DI UN
GENERATORE DI ONDE
ARBITRARIE AD ALTA
TENSIONE E PRIMI TEST
SU UNA SORGENTE DI
NANOCLUSTER ATOMICI
LAUREANDO: Davide RAIMONDI
RELATORE: Chiar.mo Prof. Sergio CARRATO
CORRELATORI: Dott. Giuseppe CAUTERO, Sig.
Dario GIURESSI
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e Informatica
A.A. 2020/2021
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2. Cosa sono i nanocluster?
Agglomerati di atomi dello stesso elemento
Hanno proprietà che dipendono dalle loro dimensioni
Sono importanti per:
❑Studio della materia
❑Creazione di nuovi materiali
❑Miglioramento efficienza dei processi produttivi
Cluster metallici positivi
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3. Descrizione della
macchina
La sorgente di cluster è divisa in 4
stadi
1. Generazione
2. Trasporto
3. Selezione
4. Deposizione
Lettura corrente sul campione come
feedback
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4. Fase di
generazione
Laser incidente su un bersaglio
mobile
Formazione di plasma
Valvola piezoelettrica
Getto di elio
Camera di termalizzazione
Espansione supersonica
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5. Fase di trasporto
È costituita da:
• Lenti elettrostatiche
• Ottupolo
• Circuito di adattamento
Ha il compito di guidare e
focalizzare il fascio
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6. Fase di selezione
Bender elettrostatico
• Fa la selezione in base al segno
• Procedono solo i cluster positivi
QMS (Quadrupole Mass Spectrometer)
• Fa la selezione in base alle dimensioni
• Procedono solo i cluster delle dimensioni
volute
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7. Fase di
deposizione
Aggiunto un secondo ottupolo e lenti
elettrostatiche di trasporto per il
collegamento meccanico
Defocalizzazione del fascio
Soft landing
Deposizione sul campione
Lettura di corrente
Misure XPS (X-ray Photoelectron
Spectroscopy)
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8. Criticità della fase di trasporto
Numero di parametri da controllare
Circuito di adattamento:
❑Limite in frequenza
❑Limite delle forme d’onda
❑Disadattamento e riflessione
Fenomeni parassiti all’interno della macchina
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RADIO
CIRCUITO DI
ADATTAMENTO
OTTUPOLO

9. Caratterizzazione
dell’ottupolo
Ricerca del modello equivalente
Analisi in frequenza
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10. Modello equivalente
Misure realizzate con FLUKE PM6304
• 𝐶𝐷 = 78 𝑝𝐹
• 𝐶𝑃 = 73 𝑝𝐹
• 𝐶𝑁 = 87 𝑝𝐹
• 𝐶𝑇𝑂𝑇 ≈ 100 𝑝𝐹
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11. Analisi in frequenza
• 𝜆 = Τ
𝑐
𝑓 = ൗ
3∗108
2∗ 106 = 150𝑚
• uso di un network analyzer
• evoluzione in frequenza con QUCS
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12. Modifiche
meccaniche
delle farfalle
e
dell’ottupolo
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13. Soluzione: cambio di approccio
Approccio digitale possibile soluzione al problema del trasporto
Vantaggi:
❑Possibilità di variare la frequenza
❑Possibilità di variare la forma d’onda
❑Più versatile
❑Può avere altre applicazioni:
▪ Lenti elettrostatiche
▪ Analizzatori elettronici
▪ Filtri di energia per particelle cariche
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14. Obiettivo
𝑣𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝑣1 𝑡 + 𝑣2 𝑡
𝑣1 𝑡 = 𝐴 ∗ 𝑠𝑒𝑛 2π𝑓𝑡 + 𝑣𝑜𝑓𝑓
𝑣1 𝑡 = 𝐴 ∗ sen 2π𝑓𝑡 −
π
2
+ 𝑣𝑜𝑓𝑓
𝐴 = 55𝑉
𝑓 = 2 𝑀𝐻𝑧
𝑣𝑜𝑓𝑓 = 30𝑉
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Singolo ingresso del segnale RF

15. PROCESSO DI
REALIZZAZIONE
TRADUZIONE DELLE SPECIFICHE
RICERCA DEI COMPONENTI
RICERCA DELLA TOPOLOGIA
SIMULAZIONI DELLA TOPOLOGIA
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
VALIDAZIONE DEL PROTOTIPO
CONSIDERAZIONI SUI RISULTATI E CORREZIONE DEL
PROTOTIPO
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16. Traduzione delle specifiche
• Voltage: 110 V
• Gain Bandwidth Product: 20 M𝐻𝑧
• Supply Voltage: 300V
• Slew Rate: 700 Τ
𝑉 𝑢𝑠
• Capacitive Load: 200 𝑝𝐹
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17. Ricerca dei componenti
Stadio di preamplificazione
THS4631
Stadio di potenza
❑ PA84
❑ PA94
❑ PA98
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Slew rate insufficiente
Già in magazzino

18. Ricerca della topologia
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19. Simulazione stadio
di preamplificazione
• Amplificazione e
sfasamento entro le
specifiche
• Attenzione alla saturazione
dell’amplificatore
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20. Simulazione
stadio di potenza
• Amplificazione, sfasamento
ed offset entro le specifiche
• Con un carico superiore ai
300 𝑝𝐹 manifesta
distorsione
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21. Simulazione
risposta in
frequenza
• Banda di entrambi gli stadi
entro le specifiche
• Amplificazione corretta
• Presenza di una
sovraelongazione ma è
facile da compensare via
software
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22. Prototipo THS4631
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23. Prototipo PA98
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24. Realizzazione dei PCB
THS4631 PA98
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25. Validazione dei
prototipi
• Test con l’oscilloscopio
• Test con il network analyzer
• Test in camera sperimentale
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26. THS4631
Risposta in linea con le simulazioni
Qualità mantenuta fino alla soglia di
saturazione
G = 10
f = 2 MHz
Limite per considerare la risposta
piatta e in controfase: 10 M𝐻𝑧
Oltre le specifiche
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27. PA98
• Risposta entro le specifiche
• G = 10
• f = 2 MHz
• Ricostruito il segnale
• Può arrivare oltre i 100 V
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28. Test in camera
sperimentale
• Mantenuto lo sfasamento
• Elevata distorsione
• Fenomeni parassiti aumentano la
capacità equivalente vista dal
PA98
• Si arriva oltre ai 400 𝑝𝐹, carico
troppo elevato per il PA98
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29. Sviluppi
futuri
Cambiare il
componente
(PA107)
Usare i
discreti
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30. Grazie per l’attenzione
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31. Bibliografia (1)
• [1] L. Sbuelz, A. Baraldi, D. De Angelis “Caratterizzazione di una sorgente di cluster
atomici selezionati in massa”, Università degli Studi di Trieste, A.A. 2017-2018.
• [2] D. De Angelis, L. Lancieri, A. Baraldi “Graphene-based interfaces as tuneable support
for metal oxide nanoparticles”, Università degli Studi di Trieste, A.A. 2017-2018.
• [3] D. Curcio, L. Lancieri, A. Baraldi “Growth and Properties of Graphene-Based Materials”,
Università degli Studi di Trieste, A.A. 2016-2017.
• [4] R. Furlani, S. Carrato, D.Molaro “Sviluppo di un sensore di corrente con tecnologia flux-
gate transformer con interfaccia digitale”, Università degli Studi di Trieste, A.A. 2011-2012.
• [5] A. Kartouzian, M. Thämer, T. Soini, J. Peter, P. Pitschi, S. Gilb, U. Heiz “Cavity ring-
down spectrometer for measuring the optical response of supported sizeselected clusters
and surface defects in ultrahigh vacuum” Journal of Applied Physics 104, 124313 (2008).
• [6] D. Gerlich “Inhomogeneous RF fields: a versatile tool for the study of processes with
slow ions”, Universität Freiburg.
• [7] L. Liu, A. Corma, “Metal Catalysts for Heterogeneous Catalysis: From Single Atoms to
Nanoclusters and Nanoparticles” Chem. Rev. 118, 4981-5079 (2018)
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32. Bibliografia (2)
• [8] E. C. Tyo, S. Vajda, “Catalysis by clusters with precise numbers of atoms”
Nat. Nanotech. 10, 577-588 (2015)
• [9] J. Bansmann et al. “Magnetic and structural properties of isolated and
assembled clusters” Surf. Sci. Rep. 56, 189-275 (2005)
• [10] Z. Luo, A.W. Castleman Jr. And S.N. Khanna “Reactivity of Metal Clusters”
Chem. Rev. 116(23), 14456-14492 (2016)
• [12] Datasheet THS4631:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ths4631.pdf?ts=1632898725499&ref_url=https
%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
• [13] Datashhet PA84: https://www.apexanalog.com/resources/products/pa84u.pdf
• [14] Datasheet PA94: https://www.apexanalog.com/resources/products/pa94u.pdf
• [15] Datasheet PA98: https://www.apexanalog.com/resources/products/pa98u.pdf
• [16] Datasheet PA107:
https://www.apexanalog.com/resources/products/pa107u.pdf
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