Development and qualification of readout electronics and data acquisition for the SIDDHARTA experiment

This thesis work is part of the Siddharta project, a nuclear physics experiment that aims to increase today’s knowledge about the strong nuclear force inside atoms. To achieve that, is important to measure correctly the shift ε and the amplitude Γ of the Kα emission line of exotic atoms, as the Kaonic Hydrogen. A Kaonic atom is an atom where a Kaon has replaced on electron in the orbitals. The shift and width to be measured derive from the contribution of the nuclear force in addition to the electromagnetic one. In order to perform these spectroscopic measurements correctly, it is necessary to develop sensors and readout electronics that provide adequate energy resolution with respect to the specifications required by the experiment. The first installation of the experiment has provided useful data since it was the first-ever measurement of the Kaonic Hydrogen X-rays, but still had some limitations due to the limited number of detectors and the signal-to-background ratio of the apparatus. So it was necessary an upgrade. Therefore, both the detectors and readout electronics have been increased in number and solid angle to match statistics requirements. In the new apparatus, all detectors must be thoroughly tested and characterized before they can be assembled and used for the purpose of the experiment. 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 project, and the physical principles that lies beneath the experiment. The second chapter discusses about SFERA, an ASIC developed in Politecnico laboratory for a fast multichannel readout of radiation detectors. Finally, modifications and improvements of the new release (SFERA III) are presented. The third chapter describes the characterization of some SDD arrays that are needed for the final SIDDHARTA experiment. First, the mechanical characteristics of the detectors are presented, then the testing setup is shown. Afterwards, the results of these tests are presented. The last chapter describes the development of a DAQ system operating according to a Sparse Readout scheme, a type of acquisition of x rays useful for the sparsification of the events. Finally, an intensive analysis about the crosstalk and a study regarding the timing signals will be presented.

Questo lavoro di tesi di inserisce nell’ambito del progetto Siddharta, un esperimento di fisica nucleare che si propone di accrescere le conoscenze odierne riguardo la forza nucleare forte. Per farlo è importante misurare correttamente lo spostamento ε e l’ampiezza Γ della linea di emissione Kα degli atomi esotici, come l’Idrogeno Kaonico. Un atomo kaonico è un atomo dove un kaone ha rimpiazzato un elettrone negli orbitali. Lo spostamento e l’ampiezza sono stati misurati tenendo conto oltre del contributo della forza nucleare forte, anche di quella elettromagnetica. Per effettuare correttamente tali misure spettroscopiche è necessario sviluppare sensori, ed una elettronica di lettura, in grado di provvedere un’adeguata risoluzione energetica, considerando le specifiche richieste dall’esperimento. La prima installazione dell’esperimento ha fornito dati molto utili, visto 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 degli strumenti. Quindi è stato necessario effettuare un upgrade. Dunque, sia i rilevatori che l’elettronica di lettura sono stati migliorati per soddisfare le specifiche richieste. Nella nuova strumentazione, tutti i rivelatori devono essere accuratamente testati e caratterizzati prima di poter essere montati ed utilizzati ai fini dell’esperimento. 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 il progetto SIDDHARTA e i principi fisici che si trovano dietro l’esperimento. Il secondo capitolo riguarda SFERA, un ASIC sviluppato nel laboratorio del Politecnico per una lettura multicanale veloce di rilevatori di radiazione. Infine verranno presentate le modifiche e migliorie apportate per la nuova versione (SFERA III). Il terzo capitolo mostra la caratterizzazione di moduli SDD, necessari per l’esperimento finale di SIDDHARTA. Prima verranno presentate le caratteristiche meccaniche dei detectors, in seguito viene mostrato il setup utile per effettuare il testing. Successivamente, verranno presentati i risultati dei questi tests. L’ultimo capitolo mostra lo sviluppo del DAQ, usando la modalità di lettura Sparse, cioè un tipo di acquisizione di raggi x utile per la sparsificazione di eventi. Infine verrà presentato un’intensiva analisi del crosstalk e uno studio relativo a segnali di temporizzazione.