ARDESIA : a high-resolution and high rate X-ray spectrometer for synchrotron applications

The aim of the thesis is the development of the ARDESIA spectrometer. ARDESIA (ARray of DEtectors for Synchrotron radIation Applications) is a Silicon Drift Detector (SDD) based, low noise, high count-rate, high energy resolution, multichannel X-ray detector for synchrotron radiation spectroscopy applications. Synchrotron beamlines are hostile places for electronics systems, requiring a specific care to electromagnetic disturbance rejection. The readout signal chain of the spectrometer has been designed, starting from the biasing of the charge preamplifier to the output connectors, through the internal reset logic and analog conditioning circuitry. Two electronics units supporting ARDESIA operations have been designed. The first is a custom designed, low noise, disturbance-rejecting biasing system with current monitoring and power sequencing capabilities, able to provide all the needed voltages for the internal amplifying electronics and the high voltages for SDD biasing. The second is a low noise power control system, custom designed to bias the Peltier cells inside the instrument for SDD cooling and to accurately monitor its thermal behaviour. Finally, the spectrometer has been constructed and experimentally characterized both in Politecnico di Milano and in two synchrotron beamlines, firstly at Laboratori Nazionali di Frascati (LNF, Frascati, Rome) and then in the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France). The system has been able to overcome all the aforementioned challenges, resulting in outcomes that were comparable with analogous commercial state-of-the-art systems in terms of the main figures of merit: energy resolution and count-rate.

Lo scopo della tesi è lo sviluppo dello spettrometro ARDESIA. ARDESIA (ARray of DEtectors for Synchrotron radIation Applications) è un rivelatore multicanale di raggi X per applicazioni di spettroscopia con luce di sincrotrone basato su Silicon Drift Detectors (SDDs), a basso rumore, alta capacità di conteggio ed alta risoluzione energetica. I sincrotroni sono luoghi ostili per sistemi elettronici, che richiedono una particolare attenzione alla reiezione dei disturbi elettromagnetici. È stata progettata la catena di lettura del segnale dello spettrometro, dalla polarizzazione del preamplificatore fino ai connettori di uscita, compresa la logica di reset e l’elettronica analogica di condizionamento del segnale. Inoltre, sono stati progettati due sistemi elettronici che affiancano lo spettrometro ARDESIA durante il suo funzionamento. Il primo è un sistema di polarizzazione, a basso rumore ed alta insensibilità ai disturbi, in grado di fornire tutte le tensioni necessarie per l’elettronica di amplificazione interna allo spettrometro e le alte tensioni per la polarizzazione del rilevatore SDD. Il secondo è un sistema di potenza e di controllo, progettato appositamente per polarizzare le celle di Peltier per il raffreddamento del rilevatore e per monitorarne il comportamento termico. Infine, lo spettrometro è stato realizzato e caratterizzato sperimentalmente sia al Politecnico di Milano che in due sincrotroni: presso i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF, Frascati, Roma) e all’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, Francia). Il sistema è stato in grado di superare tutte le sfide sopracitate, con risultati paragonabili ad analoghi sistemi allo stato dell’arte, in termini di risoluzione energetica e capacità di conteggio.