Development of GAMMA : a 16-channels high dynamic range readout ASIC for SiPMs

In the present work is described the development of an application specific integrated circuit (ASIC) dedicated to spectroscopy and imaging applications requested by GAMMA project, supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), which aims to the development of a high resolution radiation detector based on silicon photomultipliers (SiPMs). The front-end electronics designed for the detector, consisting of a crystal scintillator coupled to silicon photomultipliers, is characterized by a high dynamic range, equal to 80 dB, since the detector output signal ranges from 1 to 10000 photoelectrons. Since in literature and on the market, to the best of author’s knowledge, no silicon photomultiplier readout ASICs feature the required dynamic range, an application specific design resulted necessary. After a brief introduction to gamma ray detection and a presentation of silicon photomultipliers, the architecture of the third release of GAMMA (Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC) ASIC is presented. The previous release of GAMMA chip, characterized by eight channels and containing all the main building block, also constitutes the core of the third release: object of this work was the detailed study of the performances of each single blocks to highlight the design trade-off and the possible optimizations, as well as the implementation of the proposed upgrades and extension of the architecture from 8 to 16-channels, as requested by the final design of the instrument. A systematic experimental characterization, involving the eight channel available release of the chip has been performed, aiming to verifying the simulation results, the achievement of the targeted performances and the proper functioning of the ASIC. Finally, system level measurements have been carried out using a newly designed detection module based on the second version of GAMMA ASIC, and a 137Cs e 133Ba spectrum has been acquired using a 1 inch scintillator crystal, achieving the promising resolution value of 3.8%.

Nel presente elaborato è descritto lo sviluppo di un application specific integrated circuit (ASIC) dedicato alle applicazioni di spettroscopia e imaging richieste dal progetto GAMMA, supportato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che mira allo sviluppo di rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione basati su fotomoltiplicatori in silicio (SiPMs). L’elettronica di front-end progettata per il rivelatore, consistente in un cristallo scintillatore accoppiato a fotomoltiplicatori in silicio è caratterizzata da un elevato range dinamico, pari a 80 dB, poiché il segnale generato del rivelatore varia da 1 a 10000 fotoelettroni. Dal momento che in letteratura e sul mercato, al meglio della conoscenza dell’autore, non sono presenti ASIC di lettura per fotomoltiplicatori in silicio offerenti il range dinamico richiesto, una progettazione dedicata all’applicazione è risultata necessaria. Dopo una breve introduzione alla rivelazione di raggi gamma e una presentazione dei fotomoltiplicatori in silicio, è presentata l’architettura della terza versione dell’ASIC GAMMA (Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC). La versione precedente del chip GAMMA, caratterizzata da otto canali e contenente tutti i blocchi circuitali fondamentali, costituisce anche il nucleo della terza versione: obiettivo di questo lavoro è stato lo studio dettagliato delle prestazioni di ogni singolo blocco per evidenziare i compromessi di progettazione e le possibili ottimizzazioni, così come l’implementazione delle migliorie proposte e l’estensione dell’ architettura da 8 a 16 canali, richiesta dal progetto finale dello strumento. Una caratterizzazione sperimentale sistematica, riguardante la versione a 8 canali disponibile del chip, è stata condotta, con l’intento di verificare i risultati di simulazione, il raggiungimento delle performance attese e l’adeguato funzionamento dell’ASIC. Infine, misure a livello di sistema sono state eseguite attraverso un nuovo modulo di rivelazione basato sulla seconda versione dell’ASIC GAMMA, ed uno spettro composto da 137Cs e 133Ba è stato acquisito utilizzando un cristallo da 1 pollice, raggiungendo un promettente valore di risoluzione pari al 3.8%.