Experimental characterization of SDD detectors and electronics for the SIDDHARTA experiment

The aim of this master thesis is to provide a complete characterization of SDD detectors and readout electronics for the new SIDDHARTA experiment. This experiment is an upgrade of the first one held in 2009 in Frascati (Rome) and both are meant to provide a deeper knowledge of the strong-interaction inside atoms, which isn't completely defined due to the still limited availability of experimental data. To gain new informations the experiment need to measure as accurate as possible the shift and the amplitude of the Kalpha emission line of the Kaonic Hydrogen, an esotic atom. The first installation of the experiment provided useful data since it was the first-ever measurement of the Kaonic Hidrogen X-rays, but still had some limitations in resolution mostly due to noise, so it was necessary an upgrade which will be running in 2018. Both the detectors and readout electronics have been improved to match the noise requirements, so they have to be fully characterized before using them in Frascati. In the new experiment there will be 48 arrays with 8 SDDs detectors each, for a grand total of 384 SDD cells, this is the first experiment ever with such an high number of X-ray spectroscopy SDDs. This thesis is composed of 4 chapters; the first one introduces the SIDDHARTA experiment: the first intallation, the acquisition chain, the upgrades introduced with the second one and its goals. The second chapter discuss about SFERA, an ASIC developed in the lab for a fast multichannel readout of radiation detectors and its characterization moslty focused on its linearity and stability in time. The third chapter handles the core of this thesis: the characterization of SDDs; it starts from the mechanical structure of detectors, then explains the setup, the procedure and type of measurements, in the end it shows the results for the high number of SDD units analyzed. Moreover, in the last part of the chapter, there are shown some unexpected behaviours encountered during the characterization procedure. The last chapter shows two studies conducted during this thesis: an intensive analysis about charge sharing between adjacent cells and a study regarding the timing of control signals for the electronic.

L'obiettivo di questa tesi di laurea magistrale è quello di fornire una completa caratterizzazione dei rilevatori SDD e dell'elettronica di lettura per il nuovo esperimento SIDDHARTA. Questo esperimento è un upgrade della prima versione tenuta a Frascati (Roma) nel 2009 ed entrambe le installazioni mirano ad ottenere una più profonda comprensione riguardo l'interazione forte all'interno dell'atomo, la quale non è completamente definita, soprattutto per la limitata disponibilità di dati sperimentali. Per ottenere nuove informazioni l'esperimento deve misurare il più precisamente possibile lo spostamento e l'ampiezza della linea di emissione Kalpha dell'Idrogeno Kaonico, un atomo esotico. La prima installazione dell'esperimento ha fornito dati molto utili dato che è stata la prima misura in assoluto dei raggi X emessi dall'Idrogeno Kaonico, questa però aveva dei limiti in risoluzione, soprattutto dovuti al rumore, perciò è stato necessario effetturare un upgrade, questo esperimento avrà luogo durante il 2018. Sia i rilevatori che l'elettronica di lettura sono stati migliorati per soddisfare le specifiche sul rumore, quindi devono essere completamente caratterizzati prima di poter essere utilizzati a Frascati. Nel nuovo esperimento saranno presenti 48 matrici con 8 rilevatori SDD per ogni matrice, quindi un totale di 384 SDD, questo esperimento è il primo che sfrutta un così alto numero di celle SDD per spettroscopia a raggi X. Questa tesi è composta da 4 capitoli; il primo introduce l'esperimento SIDDHARTA: la prima installazione, la catena di acquisizione, le migliorie introdotte per la seconda installazione e i suoi scopi. Il secondo capitolo riguarda SFERA, un ASIC sviluppato in laboratorio per una lettura multicanale veloce di rilevatori di radiazione, e la sua caratterizzazione, concentrata perlopiù sulla sua linearità e stabilità nel tempo. Il terzo capitolo mostra il cuore di questa tesi: la caratterizzazione di moduli SDD; inizia parlando della struttura meccanica dei rilevatori, poi illustra il setup, la procedura e il tipo di misure, infine mostra i risultati per l'alto numero di unità SDD analizzate. Inoltre, nella parte finale del capitolo, sono esposti comportamenti particolari incontrati durante la procedura di caratterizzazione. L'ultimo capitolo mostra due studi specifici condotti durante questa tesi: un'intensa analisi riguardante il charge sharing tra celle adiacenti e uno studio relativo a segnali di temporizzazione per l'elettronica.