Development and characterization of a low noise multichannel readout asic for X and γ-ray spectroscopy applications

When dealing with X and γ-ray spectroscopy, nuclear physics experiments and medical imaging applications, the main focus is undoubtedly optimizing the energy resolution of the overall detection system. X and γ-ray integrated readout front-ends often present significant differences both in terms of processing times, gains, multiplexing protocols and inner architectures. Depending on the application, X-ray front-ends might favor shorter shaping times, higher gains and fast sequential multiplexing or sparsification, while γ-ray electronics based on monolithic crystal scintillators exploits longer shaping times, lowers gains and different multiplexing protocols. In addition, most of the readout front-ends designed so far do not provide any analog-to-digital (A/D) conversion of output signals, making the data transmission to the external DAQ more susceptible to electromagnetic interference. With the aim of merging all the aforementioned peculiarities, thus paving the way towards a more general-purpose approach, this dissertation presents the design of SFERA, a fully programmable readout ASIC in principle suitable for both X-ray and γ-ray detection modules, able to perform on-chip data digitization. The reference detector for the implementation and characterization that followed is the SDD (both single and arrayed) because of its excellent noise performance in the typical range 0.2 to 30 keV and also representing a competitive alternative to conventional detectors employed in γ-ray modules (PMTs, SiPMs, PIN diodes). Project specifications and relevant implementation details are addressed, moving further to the experimental characterization of both spectroscopic and high-throughput performance. Finally, the embedded 12-bit SAR ADC is described and conclusions are drawn.

Nell’ambito di applicazioni di spettroscopia a raggi X e γ, esperimenti di fisica nucleare ed imaging diagnostico, la principale specifica del sistema di fotorivelazione elettronico è indubbiamente una elevata risoluzione energetica. I front-end elettronici per moduli di rivelazioni a raggi X e γ (ASIC, application specific integrated circuits) possono presentare sostanziali differenze sia in termini di tempi di formatura del segnale, guadagno, protocolli di multiplexing ed architetture circuitali. A seconda dell’applicazione, i front-end a raggi X sono tipicamente caratterizzati da tempi di formatura più brevi rispetto a quelli γ, così come anche da guadagni più elevati e rapido multiplexing sequenziale dei dati. Al contrario, i front-end per applicazioni di spettroscopia γ integrati in moduli di rivelazione con cristallo scintillatore monolitico tendono a favorire tempi di formatura più lunghi, guadagni minori e differenti modalità di multiplexing dei dati. Inoltre, la conversione analogico-digitale dei segnali in uscita dalla maggior parte dei front-end integrati progettati ad oggi viene effettuata off-chip, rendendo così l’interfaccia tra ASIC e sistema di acquisizione più suscettibile ad eventuali disturbi elettromagnetici. Scopo di questa tesi di dottorato è presentare SFERA, un front-end integrato multicanale versatile sia ad applicazioni di spettroscopia a raggi X che γ, inoltre in grado di digitalizzare on-chip i dati analogici in uscita mediante un dedicato convertitore analogico-digitale. Il fotorivelatore scelto come riferimento per l’implementazione circuitale e la seguente caratterizzazione sperimentale è il Silicon Drift Detector (sia in formato singolo che a matrice) grazie al suo eccellente rumore elettronico all’incirca tra 0.2 e 30 keV e rappresentando inoltre una competitiva alternativa ai convenzionali fotorivelatori tipicamente impiegati nei moduli di rivelazione γ (PMTs, SiPMs, diodi PIN). Le specifiche di progetto e i dettagli implementativi rilevanti sono descritti, procedendo poi con la caratterizzazione sperimentale sia delle prestazioni spettroscopiche che di throughput del circuito. La trattazione procede infine con la descrizione del convertitore analogico-digitale integrato e con la discussione dei risultati.