ITS/AliITSCalibration.cxx

   1 /**************************************************************************
   2  * Copyright(c) 1998-1999, ALICE Experiment at CERN, All rights reserved. *
   3  *                                                                        *
   4  * Author: The ALICE Off-line Project.                                    *
   5  * Contributors are mentioned in the code where appropriate.              *
   6  *                                                                        *
   7  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and its   *
   8  * documentation strictly for non-commercial purposes is hereby granted   *
   9  * without fee, provided that the above copyright notice appears in all   *
  10  * copies and that both the copyright notice and this permission notice   *
  11  * appear in the supporting documentation. The authors make no claims     *
  12  * about the suitability of this software for any purpose. It is          *
  13  * provided "as is" without express or implied warranty.                  *
  14  **************************************************************************/
  15
  16 /* $Id:$ */
  17
  18 //////////////////////////////////////////////////////
  19 //  Calibration class for set:ITS                   //
  20 //  Specific subdetector implementation is done in  //
  21 //  AliITSCalibrationSPD                            //
  22 //  AliITSCalibrationSDD                            //
  23 //  AliITSCalibrationSSD                            //
  24 //////////////////////////////////////////////////////
  25
  26 #include <Riostream.h>
  27 #include <TMath.h>
  28
  29 #include "AliITSCalibration.h"
  30 #include "AliLog.h"
  31
  32 ClassImp(AliITSCalibration)
  33
  34 //______________________________________________________________________
  35 AliITSCalibration::AliITSCalibration():
  36 TObject(),
  37 fDataType(),
  38 fdv(0.000375),
  39 fN(0.),
  40 fT(300.),
  41 fGeVcharge(0.),
  42 fResponse(){
  43     // Default Constructor (300 microns and 80 volts)
  44
  45     SetGeVToCharge();
  46     fResponse = 0;
  47 }
  48 //______________________________________________________________________
  49 AliITSCalibration::AliITSCalibration(Double_t thickness):
  50 TObject(),
  51 fDataType(),
  52 fdv(0.),
  53 fN(0.),
  54 fT(300.),
  55 fGeVcharge(0.),
  56 fResponse(){
  57     // Default Constructor
  58
  59     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  60     SetGeVToCharge();
  61     fResponse = 0;
  62 }
  63
  64 //______________________________________________________________________
  65 AliITSCalibration::AliITSCalibration(const AliITSCalibration &ob):
  66 TObject(ob),
  67 fDataType(ob.fDataType),
  68 fdv(ob.fdv),
  69 fN(ob.fN),
  70 fT(ob.fT),
  71 fGeVcharge(ob.fGeVcharge),
  72 fResponse(ob.fResponse)
  73 {
  74   // Copy constructor
  75
  76 }
  77 /*
  78 //______________________________________________________________________________
  79 AliITSCalibration& AliITSCalibration::operator= (const AliITSCalibration& source)
  80 {
  81   // Asignment operator
  82
  83   this->~AliITSCalibration();
  84   new(this) AliITSCalibration(source);
  85   return *this;
  86
  87
  88 }
  89 */
  90 //______________________________________________________________________
  91 Double_t AliITSCalibration::MobilityElectronSiEmp() const {
  92     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  93     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  94     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  95     // in silicon at different tempeatures.
  96     // Inputs:
  97     //    none.
  98     // Output:
  99     //    none.
 100     // Return:
 101     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
 102     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 103     const Double_t km0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
 104     const Double_t km1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 105     const Double_t kN0  = 1.072E17; // #/cm^3
 106     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 107     const Double_t keT0 = -2.3; // Power of Temp.
 108     const Double_t keT1 = -3.8; // Power of Temp.
 109     const Double_t keN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
 110     Double_t m;
 111     Double_t tT = fT,nN = fN;
 112
 113     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 114         if(tT==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 115         m = km1*TMath::Power(tT,keT0);
 116         return m;
 117     } // if nN<=0.0
 118     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0;
 119     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 120     m += km0;
 121     return m;
 122 }
 123 //______________________________________________________________________
 124 Double_t AliITSCalibration::MobilityHoleSiEmp() const {
 125     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
 126     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
 127     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
 128     // in silicon at different tempeatures.
 129     // Inputs:
 130     //    none.
 131     // Output:
 132     //    none.
 133     // Return:
 134     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
 135     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 136     const Double_t km0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
 137     const Double_t km0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
 138     const Double_t km1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 139     const Double_t kN0  = 1.606E17; // #/cm^3
 140     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 141     const Double_t keT0 = -2.2; // Power of Temp.
 142     const Double_t keT1 = -3.7; // Power of Temp.
 143     const Double_t keN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 144     Double_t m;
 145     Double_t tT = fT,nN = fN;
 146
 147     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 148         if(tT==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 149         m = km1*TMath::Power(tT,keT0) + km0a-km0b;
 150         return m;
 151     } // if nN<=0.0
 152     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0b;
 153     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 154     m += km0a;
 155     return m;
 156 }
 157 //______________________________________________________________________
 158 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientElectron() const {
 159     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 160     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 161     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 162     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 163     // Inputs:
 164     //    none.
 165     // Output:
 166     //    none.
 167     // Return:
 168     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 169     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 170     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 171     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 172     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 173     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 174     Double_t tT = fT;
 175
 176     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 177 }
 178 //______________________________________________________________________
 179 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientHole() const {
 180     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 181     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 182     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 183     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 184     // Inputs:
 185     //    none.
 186     // Output:
 187     //    none.
 188     // Return:
 189     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 190     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 191     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 192     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 193     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 194     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 195     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 196     Double_t tT = fT;
 197
 198     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 199 }
 200 //______________________________________________________________________
 201 Double_t AliITSCalibration::LorentzAngleHole(Double_t B) const {
 202    // Computes the Lorentz angle for electrons in Si
 203    // Input: magnetic Field in KGauss
 204    // Output: Lorentz angle in radians (positive if Bz is positive)
 205    // Main Reference: NIM A 497 (2003) 389–396.
 206    // "An algorithm for calculating the Lorentz angle in silicon detectors", V. Bartsch et al.
 207    //
 208    const Double_t krH=0.70; // Hall scattering factor for Hole
 209    const Double_t kT0  = 300.;       // reference Temperature (degree K).
 210    const Double_t kmulow0 = 470.5;   // cm^2/Volt-sec
 211    const Double_t keT0 = -2.5;       // Power of Temp.
 212    const Double_t beta0 = 1.213;     // beta coeff. at T0=300K
 213    const Double_t keT1 = 0.17;       // Power of Temp. for beta
 214    const Double_t kvsat0 = 8.37E+06; // saturated velocity at T0=300K (cm/sec)
 215    const Double_t keT2 = 0.52;       // Power of Temp. for vsat
 216    Double_t tT = fT;
 217    Double_t eE= 1./fdv;
 218    Double_t muLow=kmulow0*TMath::Power(tT/kT0,keT0);
 219    Double_t beta=beta0*TMath::Power(tT/kT0,keT1);
 220    Double_t vsat=kvsat0*TMath::Power(tT/kT0,keT2);
 221    Double_t mu=muLow/TMath::Power(1+TMath::Power(muLow*eE/vsat,beta),1/beta);
 222    Double_t angle=TMath::ATan(krH*mu*B*1.E-05); // Conversion Factor
 223    return angle;
 224 }
 225 //______________________________________________________________________
 226 Double_t AliITSCalibration::LorentzAngleElectron(Double_t B) const {
 227    // Computes the Lorentz angle for electrons in Si
 228    // Input: magnetic Field in KGauss
 229    // Output: Lorentz angle in radians (positive if Bz is positive)
 230    // Main Reference: NIM A 497 (2003) 389–396.
 231    // "An algorithm for calculating the Lorentz angle in silicon detectors", V. Bartsch et al.
 232    //
 233    const Double_t krH=1.15; // Hall scattering factor for Electron
 234    const Double_t kT0  = 300.;       // reference Temperature (degree K).
 235    const Double_t kmulow0 = 1417.0;  // cm^2/Volt-sec
 236    const Double_t keT0 = -2.2;       // Power of Temp.
 237    const Double_t beta0 = 1.109;     // beta coeff. at T0=300K
 238    const Double_t keT1 = 0.66;       // Power of Temp. for beta
 239    const Double_t kvsat0 = 1.07E+07; // saturated velocity at T0=300K (cm/sec)
 240    const Double_t keT2 = 0.87;       // Power of Temp. for vsat
 241    Double_t tT = fT;
 242    Double_t eE= 1./fdv;
 243    Double_t muLow=kmulow0*TMath::Power(tT/kT0,keT0);
 244    Double_t beta=beta0*TMath::Power(tT/kT0,keT1);
 245    Double_t vsat=kvsat0*TMath::Power(tT/kT0,keT2);
 246    Double_t mu=muLow/TMath::Power(1+TMath::Power(muLow*eE/vsat,beta),1/beta);
 247    Double_t angle=TMath::ATan(krH*mu*B*1.E-05);
 248    return angle;
 249 }
 250 //______________________________________________________________________
 251 Double_t AliITSCalibration::SpeedElectron() const {
 252     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 253     // approximation. [cm/sec].
 254     // Inputs:
 255     //    none.
 256     // Output:
 257     //    none.
 258     // Return:
 259     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 260     //    [cm/sec]
 261     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 262
 263     return m/fdv;  // [cm/sec]
 264 }
 265 //______________________________________________________________________
 266 Double_t AliITSCalibration::SpeedHole() const {
 267     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 268     // approximation.[cm/sec].
 269     // Inputs:
 270     //    none.
 271     // Output:
 272     //    none.
 273     // Return:
 274     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 275     //    [cm/sec]
 276     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 277
 278     return m/fdv;  // [cm/sec]
 279 }
 280 //______________________________________________________________________
 281 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 282     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 283     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 284     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 285     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 286     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 287     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 288     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 289     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 290     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 291     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 292     // Inputs:
 293     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 294     // Output:
 295     //    none.
 296     // Return:
 297     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 298     const Double_t kcon = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 299
 300     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 301 }
 302 //______________________________________________________________________
 303 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 304     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 305     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 306     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 307     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 308     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 309     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 310     // material. The charge distributions is given by
 311     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt where D=mkT/e
 312     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 313     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=4kTdl/ev.
 314     // Inputs:
 315     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 316     // Output:
 317     //    none.
 318     // Return:
 319     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 320     const Double_t kcon = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 321
 322     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 323 }
 324 //______________________________________________________________________
 325 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 326     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2> [cm^2] due to the defusion
 327     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 328     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 329     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 330     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 331     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 332     // material. The charge distributions is given by
 333     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 2Dt where D=mkT/e
 334     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 335     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=2kTdl/ev.
 336     // Inputs:
 337     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 338     // Output:
 339     //    none.
 340     // Return:
 341     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 342     const Double_t kcon = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 343
 344     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 345 }
 346 //----------------------------------------------------------------------
 347 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessA(Double_t dopCons,
 348                                                  Double_t voltage,
 349                                                  Double_t elecCharge,
 350                                                  Double_t voltBuiltIn)const{
 351     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 352     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 353     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 354     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 355     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. First equation.
 356     // Inputs:
 357     //    Double_t dopCons           "N" doping concentration
 358     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 359     //    Double_t elecCharge        "e" electronic charge
 360     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 361     //                               resistivities typically used in detectors)
 362     // Output:
 363     //    none.
 364     // Return:
 365     //    The thickness of the depleted region
 366
 367     return TMath::Sqrt(2.0*(voltage+voltBuiltIn)/(dopCons*elecCharge));
 368 }
 369 //----------------------------------------------------------------------
 370 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessB(Double_t resist,
 371                                                  Double_t voltage,
 372                                                  Double_t mobility,
 373                                                  Double_t voltBuiltIn,
 374                                                  Double_t dielConst)const{
 375     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 376     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 377     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 378     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 379     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. Second Equation.
 380     // Inputs:
 381     //    Double_t resist            "rho" resistivity (typically 1-10 kOhm cm)
 382     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 383     //    Double_t mobility          "mu" charge carrier mobility
 384     //                                  (electons 1350, holes 450 cm^2/V/s)
 385     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 386     //                               resistivities typically used in detectors)
 387     //    Double_t dielConst=1.E-12  "epsilon" dielectric constant = 11.9 *
 388     //                                (permittivity of free space) or ~ 1 pF/cm
 389     // Output:
 390     //    none.
 391     // Return:
 392     //    The thickness of the depleted region
 393
 394     return TMath::Sqrt(2.8*resist*mobility*dielConst*(voltage+voltBuiltIn));
 395 }
 396 //----------------------------------------------------------------------
 397 Double_t AliITSCalibration::ReverseBiasCurrent(Double_t temp,
 398                                             Double_t revBiasCurT1,
 399                                             Double_t tempT1,
 400                                             Double_t energy)const{
 401     // Computes the temperature dependance of the reverse bias current
 402     // of Si detectors. From the Particle Data
 403     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.21 (2004)
 404     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 405     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263.
 406     // Inputs:
 407     //    Double_t temp         The temperature at which the current is wanted
 408     //    Double_t revBiasCurT1 The reference bias current at temp T1
 409     //    Double_t tempT1       The temperature correstponding to revBiasCurT1
 410     //    Double_t energy=1.2   Some energy [eV]
 411     // Output:
 412     //    none.
 413     // Return:
 414     //    The reverse bias current at the tempeature temp.
 415     const Double_t kBoltz = 8.617343E-5; //[eV/K]
 416
 417     return revBiasCurT1*(temp*temp/(tempT1*tempT1))*
 418         TMath::Exp(-0.5*energy*(tempT1-temp)/(kBoltz*tempT1*temp));
 419 }
 420 //----------------------------------------------------------------------
 421 void AliITSCalibration::Print(ostream *os) const {
 422   // Standard output format for this class.
 423   // Inputs:
 424     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 425     *os << fGeVcharge;
 426   //    printf("%-10.6e  %-10.6e %-10.6e %-10.6e \n",fdv,fN,fT,fGeVcharge);
 427     return;
 428 }
 429 //----------------------------------------------------------------------
 430 void AliITSCalibration::Read(istream *is) {
 431   // Standard input format for this class.
 432   // Inputs:
 433   //    ostream *is  Pointer to the output stream
 434   // Outputs:
 435   //    none:
 436   // Return:
 437   //    none.
 438
 439     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 440     return;
 441 }
 442 //----------------------------------------------------------------------
 443
 444 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSCalibration &p){
 445   // Standard output streaming function.
 446   // Inputs:
 447   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 448   // Outputs:
 449   //    none:
 450   // Return:
 451   //    none.
 452
 453     p.Print(&os);
 454     return os;
 455 }
 456
 457 //----------------------------------------------------------------------
 458 istream &operator>>(istream &is,AliITSCalibration &r){
 459   // Standard input streaming function.
 460   // Inputs:
 461   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 462   // Outputs:
 463   //    none:
 464   // Return:
 465   //    none.
 466
 467     r.Read(&is);
 468     return is;
 469 }
 470 //----------------------------------------------------------------------