Qualificazione della dinamica energetica dell'elettronica di frontend per i rivelatori microstrip dei telescopi FARCOS

FARCOS stands for Femtoscope Array for Correlations and Spectroscopy and is being developed in the framework of the NEWCHIM experiment of INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) with researchers and technical staff from the INFN – Sezione of Catania, Milano and Napoli, LNS ( Laboratori Nazionali del Sud ), University of Catania, and of Napoli, Politecnico di Milano and including the partecipation of researchers from Spain, France and Mexico. It aims at performing correlation measurements and femtoscopy studies to solve several open cases in nuclear physics. Its peculiarities are: • compactness • optimal angular and energetic resolution • modularity • ease to transport Infact FARCOS has to operate coupled with others detector systems in laboratories around the world. It will be possible to cover different angular regions, depending on the considered physics cases, and on the beam’s energy and kinematics of the reaction in analysis. Using the CHIMERA-FARCOS system at INFN-LNS, with both stable and radioactive beams, new perspectives are going to be opened in the nuclear physics. The FARCOS Cluster is the basic detector unit and it has been implemented as a telescope assembly. Each telescope features an active area of 6.4 cm × 6.4 cm and is composed of three detection stages. The first stage is a Double Sided Silicon Strip Detector (DSSSD), 300 µm thick, featuring 32 × 32 strips. The second stage is again a DSSSD, 1500 µm thick, featuring 32 × 32 strips. Four CsI(Tl) pyramidal crystals, with an active area of 3.2 cm × 3.2 cm and an absorption length of 6 cm arranged in a 2 × 2 matrix, act as calorimeter. Obviously some frontend electronics is needed to read the signal associated the energy deposited in the detector stages, and since the structure of the detector stages is multi-strip a multi-channel ASIC structure is needed. The thesis activity I performed from March 2016 to March 2017, at the Imaging Detectors and Low Noise Electronics Laboratory of the Dipartimento di Elettronica e dell’Informazione del Politecnico di Milano, is part of the development of FARCOS. This thesis deals with the experimental qualification of the dynamic range of the frontend electronics. The achievable dynamic range has been qualified by means of a pulsed proton beam with variable multiplicity up to several hundred protons per bunch and with electrical injection. It was proved that the qualified dynamic range is coherent with the one expected, but more in a certain condition of radiation, respect to the other one. The thesis is organized as follows. In the First Chapter I introduce the FARCOS project. The Second Chapter deals with the structure of the main components of the FARCOS cluster, i.e. the DSSSD detectors and the CsI(Tl) scintillators, and with the frontend’s structure and peculiarities. The third Chapter shows a description of how the pulsed proton beam works. Moreover it deals with the structure and with the operation of the DAQ system, and with the description of the algorithm required to analyze the data collected by the DAQ, in order to extract linearity’s characterization as a function of the Energetic Dynamic Range. At the end there are some conclusions about the performances the frontend reaches. The Fourth chapter describes the results of the experimental qualification of the dynamic range performed with a waveform generator used as signal source. Finally in the Fifth Chapter there’s a description regarding an upgrade of a PCB carrying signals which are necessary for the whole frontend operation. That upgrade was necessary when the Tandem Accelerator, available at LNS ( Laboratori Nazionali del Sud ) has been used as radiation on the detector stages of FARCOS.

FARCOS è l’acronimo di Femtoscope Array for Correlations and Spectroscopy ed è stato sviluppato nel contesto di NEWCHIM, esperimento supportato dall’INFN (I stituto Nazionale di Fisica Nucleare) e coinvolgente ricercatori e staff tecnico da INFN – Sezione di Catania, Milano e Napoli, dagli LNS ( Laboratori Nazionali del Sud ), dalle Università di Catania e Napoli e dal Politecnico di Milano, includendo anche la partecipazione di ricercatori da Spagna, Francia e Messico. Il progetto FARCOS è dedicato a misure di correlazione e studi di femtoscopia per risolvere diversi quesiti aperti in fisica nucleare. Le sue particolarità sono: • compattezza • ottime risoluzioni energetica ed angolare • modularità • facilità di trasporto Infatti FARCOS deve operare in congiunzione con altri sistemi rivelatori esistenti al mondo. Grazie ad esso sarà possibile coprire diverse regioni angolari, a seconda del caso fisico in esame e dell’energia del fascio e della cinematica della reazione sotto analisi. Usando il sistema CHIMERA-FARCOS agli INFN-LNS, con sia fasci stabili che radioattivi, si presenteranno nuove prospettive nel campo della fisica nucleare. L’unità base di FARCOS implementa un’area attiva di 6.4 cm × 6.4 cm e si compone di 3 stadi rivelatori. Il primo stadio è un Double Sided Silicon Strip Detector (DSSSD), con spessore di regione svuotata di 300 µm, e presenta 32 × 32 strip di Silicio. Il secondo stadio è anch’esso un DSSSD, con spessore di regione svuotata di 1500 µm stavolta, ma sempre con 32 × 32 strip di Silicio. Inoltre 4 cristalli di forma piramidale in CsI(Tl), caratterizzati da un’area attiva di 3.2 cm × 3.2 cm e da una lunghezza d’assorbimento di 6 cm e disposti fra di loro a matrice 2 × 2, fungono da stadi calorimetri. Ovviamente dell’elettronica di lettura è necessaria per leggere il segnale figlio dell’energia depositata sugli stadi rivelatori e, dato che questi si presentano con una struttura multi-strip, un ASIC a struttura multi-canale è necessario. L’attività di tesi da me svolta nel periodo Marzo 2016 - Marzo 2017, presso il laboratorio Imaging Detectors and Low Noise Electronics del Dipartimento di Elettronica e dell’Informazione del Politecnico di Milano, fa parte dello sviluppo di FARCOS. Questa tesi riguarda la qualificazione sperimentale del range dinamico dell’elettronica di frontend. Il range dinamico raggiugibile è stato qualificato attraverso un fascio impulsato ai protoni, con molteplicità variabile fino a gruppi di centinaia di protoni, e tramite iniziezione elettrica. Si è provato che il range dinamico qualificato è coerente con le aspettative, ma più in una certa condizione di radiazione rispetto all’altra. La tesi è organizzata come segue. Nel Primo Capitolo si introduce il progetto FARCOS. Il secondo Capitolo riguarda la struttura dei component principali del blocco unitario di FARCOS, ovvero i due DSSSD ed i cristalli scintillatori in CsI(Tl), ed anche di quella dell’Elettronica di FrontEnd con le sue particolarità. Il Terzo Capitolo riporta il funzionamento del fascio impulsato ai protoni. Inoltre esso riguarda la struttura e le operazioni del Sistema di acquisizione DAQ, ed anche l’algoritmo necessario per analizzare i dati raccolti dal DAQ, così da estrarre una caratterizzazione della linearità come funzione del range dinamico. Verso la fine riporta conclusioni riguardo le prestazioni che il frontend raggiunge. Il Quarto Capitolo descrive i risultati della qualificazione sperimentale del range dinamico, con un generatore di forme d’onda usato come sorgente di segnale Infine il Quinto Capitolo riporta la descrizione di una modifica di una PCB che alloca segnali necessari per le operazioni del frontend di lettura. Questa modifica si è resa necessaria quando l’Acceletore Tandem, disponibile agli LNS ( Laboratori Nazionali del Sud ) è stato usato come radiazione sugli stadi rivelatori di FARCOS.