Development of the ardesia detection module for synchrotron X-ray spectroscopy applications

The object of this thesis is to report the steps taken to develop the XAFS measurement module of the ARDESIA project, showing comparable or even better performance with respect to other dedicated market products. The following work is organized in four chapters: • The first chapter introduces to “X-ray Absorption Fine Spectroscopy”, shortened XAFS, based on the measurement of the absorption coefficient of the material under exam. The constraints to perform such a measurement and to characterize the acquisition system are explained. • The second chapter reports the design specifications for the ARDESIA (Italian translation for ’slate’) measuring module based on the specifications shown in the previous chapter and on additional design constraints of a mechanical nature. The detector design, mechanics and downhill electronics were designed jointly to allow efficient acquisition. On the basis of studies and simulations it was decided to opt for a multi-channel solution: the sensor is a 2x2 SDD array manufactured with an innovative fabrication process that allows low leakage at non-cryogenic temperatures. The pre-amplifier specifically designed for the sensor ceramic is then described: the small package of the pre-amplifier ASIC allow soldering it on the ceramic, this way it is possible to connect the SDD anode directly to the pre-amplifier input. In the end, the final mechanical model of the module is presented, explaining in more detail the compact cooling system used. • The third chapter introduces the experimental setup with which the detection module has been tested. A box allows to selectively insulate the detector from external light and to cool it down to operative temperature. To polarize the detector a multi-tasking board has been designed to make detector and readout electronics independent by each other while adapting the pre-amplifier output signal to the readout electronic input dynamics. This board also provides a reset signal to the pre-amplifiers as well as providing power to all the electronics on the ceramic. In the final prototype, which will operate in vacuum, this board has been split over multiple smaller PCBs in order to fit in the small area available. The acquisition systems used are then described: DXP xMAP , DANTE DPP and the SFERA ASIC. Finally, the procedure used to perform the measurements is explained and the measurements results are given. Finally is a discussion over the future developments of the ARDESIA project: the construction of the first detection module prototype and the optimization and automation of the system in order to allow plug and play operation, so to make the ARDESIA measurement module a more reliable and user-friendly instrument.

L’oggetto della seguente tesi è descrivere gli step compiuti nella creazione del modulo di rivelazione per XAFS del progetto ARDESIA. Questo modulo sarà in grado di mostrare prestazioni paragonabili se non migliori ad altri detector atti allo scopo già presenti sul mercato. Il seguente elaborato è organizzato principalmente in quattro capitoli: • Il primo capitolo introduce alla spettrometria di tipo “X-ray Absorption Fine Spectroscopy”, abbreviato XAFS, basata sulla misurazione del coefficiente di assorbimento del materiale analizzato. Vengono presentate le specifiche da tenere in considerazione per eseguire una buona misura XAFS e per caratterizzare un sistema di rilevamento. • Nel secondo capitolo sono riportate le specifiche di design per il modulo di misurazione ARDESIA, basate sulle specifiche mostrate nel capitolo precedente e su ulteriori vincoli di design di natura meccanica. La progettazione di detector, meccanica ed elettronica a valle è stata fatta in maniera congiunta per permettere all’intero sistema di misurazione di acquisire in modo efficiente. In base a studi comprendenti ricerche e simulazioni si è scelto di optare per una soluzione multicanale: il sensore è costituito da un array da 2x2 SDD fabbricato con un innovativo processo di produzione che permette basso leakage a temperature al di sopra di quelle criogeniche. Viene descritto il pre-amplificatore progettato apposta per la ceramica del sensore: le dimensioni contenute dell’ASIC del pre-amplificatore permettono la sua saldatura sulla ceramica, in questo modo è possibile connettere l’anodo dell’SDD direttemente all’ingresso del pre-amplificatore. Infine, viene presentato il modello meccanico finale del modulo, esponendo in dettaglio il compatto sistema di raffreddamento utilizzato. • Nel Terzo capitolo viene presentato il setup sperimentale con cui il modulo di rivelazione è stato testato. Una scatola permette di isolare selettivamente il detector dalla luce esterna e di raffreddarlo a temperature operative. Per polarizzare il rilevatore è stata progettata una scheda multi-tasking che rende detector ed elettronica di lettura indipendenti tra loro e adatta il segnale in uscita al pre-amplificatore alla dinamica d’entrata dell’elettronica di lettura. Questa scheda fornisce anche un segnale di reset per i preamplificatori oltre che provvedere alimentazione a tutta l’elettronica sulla ceramica. Nel prototipo finale, che opererà in condizioni di vuoto, questa scheda è stata divisa su più PCB per essere montata nella piccola area disponibile. Vengono poi descritti i principali sistemi di acquisizione utilizzati: DXP xMAP, DANTE DPP e SFERA ASIC. Infine viene descritto il procedimento impiegato per effettuare le misure del sistema e vengono elencati i risultati delle misure. Conclude l’elaborato una discussione sugli sviluppi futuri del progetto ARDESIA: la costruzione del primo prototipo del modulo di misurazione e l’ottimizzazione ed automazione del sistema di misurazione per permetterne un utilizzo plug and play, in modo da rendere il modulo di misurazione ARDESIA uno strumento più affidabile ed user friendly.