Qualificazione del preamplificatore di carica VLSI con dinamica energetica di 2 GeV per esperimenti di fisica nucleare

FARCOS (Femptoscope ARray for Correlation and Spectroscopy) is a novel detection system featuring high angular and energy resolution. It is based on Double Sided Silicon Strip Detectors (DSSSD) and CsI(Tl) crystals scintillators and it is able to reconstruct the particles momentum at high precision in different physical cases in heavy-ion collision nuclear physics experiments at intermediate energies. Its goal is achieved by performing correlation measurement of LCPs and IMFs and by exploiting the standard identification techniques (ΔE-E, ToF), Pulse Shape Analysis (PSA) on the CsI(Tl) and on the DSSSD. The final system will be composed of 20 telescopes, which are the basic detector units, characterized by high modularity that is a key feature of the system. Each telescope features an active area of 6.4 x 6.4 mm2 and is composed of three detection layers. The first and the second stage are DSSSD respectively 300 μm and 1500 μm thick, feature 32 x 32 strips. The last detection layer is composed of 4 CsI(Tl) pyramidal crystals, each one with an active area of 3.2 x 3.2 cm2 and an absorption length of 6 cm. My thesis activity consists in the characterization of the modified front-end electronics to be coupled to the DSSSD detectors. The circuit, based on Charge PreAmplifier (CPA) topology, has been modified to enlarge the maximum energetic FSR up to 2 GeV to cope the specifications needed in the PIGMY dipole resonance. This experiment demands a front-end full energy range of GeV to detect ϒ rays in coincidence with 68Ni beam. The energy range extension can be obtained with an additional feedback capacitance and compensation capacitance, assuring the circuit stability. In order to decrease the fall time, which is limited by the impedance shown by the discharge network, the feedback resistance has been lowered. The final circuit features a rise time 10%-90% below 40 ns in negative polarity and below 90 ns in the positive one and it can work with an event rate per channel of hundreds of Hz. The electronics assures also an integral-non-linearity below 0.5% up to designed energetic full scale range. Finally, the energy resolution measured with 300 μm DSSD, which represents the worst case, is 34.2 keV FWHM. The qualification of the modified circuit, both stand-alone and coupled to the detectors, has shown a response fully compatible with the experimental requirements.

FARCOS (Femptoscope ARray for Correlation and Spectroscopy) è un Nuovo Sistema di rivelazione che presenta alta risoluzione angolare ed energetica. È basato sui Double Sided Silicon Strip Detectors (DSSSD) e sui cristalli scintillatori Csi(Tl) ed è in grado di ricostruire il momento delle particelle ad alta precision in diversi esperimenti di fisica nucleare ad energie intermedia. Il suo obiettivo è ottenuto eseguendo la correlazione delle misure delle particelle LCP e IMF e sfruttando le tecniche standard di identificazione (ΔE-E, ToF) e la Pulse Shape Analysis (PSA) sul CsI(Tl) e sui DSSSD. Il Sistema finale sarà composto da venti telescopi, che rappresentano l’unità base del rivelatore, caratterizzato da alta modularità che rappresenta la caratteristica chiave del Sistema. Ogni telescopio mostra un’area attiva di 6.4 x 6.4 mm2 ed è compost da tre strati di rivelazione. Il primo ed il secondo stadio sono DSSSD spessi rispettivamente 300 μm e 1500 μm con 32 x 32 strips. L’ultimo strato di rivelazione è compost da quattro cristalli piramidali CsI(Tl), ciascuno con un’area attiva 3.2 x 3.2 cm2 e una lunghezza di assorbimento di 6 cm. La mia attività di tesi consiste nella caratterizzazione dell’elettronica di front-end modificata che deve essere accoppiata ai rivelatori DSSSD. Il circuito, basato sulla topologia del Charge PreAmplifier (CPA), è stato modificato per allargare il Massimo Full Scale Range (FSR) energetico fino a 2 GeV per far fronte alle specifiche necessarie per l’esperimento PIGMY dipole resonance. Questo esperimento richiede un range energetico del front-end dell’ordine dei GeV per rilevare I raggi ϒ in coincidenza con il fascio 68Ni. L’estensione del range energetico può essere ottenuta con una capacità di feedback addizionale e una capacità di compensazione, per assicurare la stabilità del circuito. Per diminuire il tempo di discesa, che è limitato dall’impedenza mostrata dalla rete di scarica, la resistenza di retroazione è stata diminuita. Il circuito finale mostra I tempi di salita 10%-90% sotto ai 40 ns nella polarità negative e sotto ai 90 ns in quella positiva e può operare con un tasso di eventi in ingress dell’ordine del centinaio di Hz. L’elettronica assicura anche una Integral Non Linearity (INL) sotto a 0.5% fino al fondo scala energetico progettato. Infine, la risoluzione energetica misurata con il DSSSD di spessore 300 μm, che rappresenta il caso peggiore, è di 34.2 keV FWHM. La qualificazione del circuito modificato, sia stand-alone che accoppiato con il rivelatore, ha mostrato una risposta completamente compatibile con le specifiche sperimentali.