FPGA-based multichannel analog readout system for Tristan neutrino experiment

Neutrinos are elementary particles with a non-zero, currently under determination, mass and only reacting to gravity and weak interaction. It is hypothesized the existence of a different type, only affected by the gravitational force: the sterile neutrino. Sterile neutrinos in the keV-scale are theoretically well-motivated and a good candidate for dark matter. Their existence would be proven by a kink-like distortion in the -decay spectrum. A mixture of sterile neutrinos with lighter ones, would result in an inflection in the representation of the emitted electron energies. TRISTAN experiment’s mission is to perform this measurement. This thesis places itself in the detection portion of TRISTAN, where the electrons hit a matrix of 3486 SDD pixels, generating the desired spectrum. The large number of channels that needs to be read, coupled with the requirements of high count rates and high energy resolution, adds up to the complexity of the problem. In order to build an effective DAQ system and to carry out tests on the detectors in the preliminary phases of the project, an Analog Read-Out system has been designed. The hardware created in this thesis, is made to read the signal coming from up to 16 SDD pixels coupled with their relative pre-amplifier. A Main Board that allows the operation of all the blocks has been designed and produced, as well as the firmware has been entirely coded for the project. The board implements an Analog Read-out Chain using SFERA, a Shaping Amplifier. The core of the system is an FPGA module that acts as the control unit of the setup, necessary for the versatility and flexibility of an Analog system that is able to read a large array of pixels, in contrast to a single pixel DPP. The designed DAQ platform constitutes a solid base for the construction of a larger readout system within the TRISTAN experiment and a versatile testing platform for the front end electronics under development.

I neutrini sono particelle elementari con massa non nulla e che reagiscono solamente alla gravitá e alla forza nucleare debole. Si ipotizza l’esistenza di un altro tipo di neutrino, influenzato solo dalla forza gravitazionale: il neutrino sterile. L’esistenza dei neutrini sterili con masse nella scala keV sono teoricamente ben motivati e potrebbe risultare un buon candidato per materia oscura. La loro esistenza sarebbe dimostrata da una distorsione nel spettro del decadimento . Una miscela di neutrini sterili con quelli piú leggeri, comporterebbe un flesso nella rappresentazione delle energie degli elettroni emessi. La missione dell’esperimento TRISTAN é quello di eseguire questa misura. Questa tesi si colloca nella sezione di TRISTAN dedicata alla rivelazione, dove gli elettroni colpiscono una matrice di 3486 pixel SDD, generando lo spettro. Il grande numero dei canali che devono essere letti, in combinazione con i requisiti di alti tassi di conteggio e di alta risoluzione energetica, aggiunge alla complessitá del problema. Al fine di costruire un sistema DAQ efficace e che permetta di effettuare test sui rivelatori nelle fasi preliminari del progetto, é stato progettato un sistema di lettura analogica. L’hardware creato in questa tesi, é fatto per leggere il segnale che arriva da 16 pixel SDD accoppiati con il loro relativo pre-amplificatore. Una Main Board che consente il funzionamento di tutti i blocchi é stato progettata e prodotta, cosí come il firmware é stato interamente scritto per il progetto. La scheda implementa una catena di lettura analogica usando SFERA, un Shaping Amplifier. Il nucleo del sistema é un modulo FPGA che funge da unitá di controllo del setup, versatile e flessibile, necessario per il controllo di un sistema analogico in grado di leggere a vasta gamma di pixel, in contrasto con un DPP a singolo pixel. La piattaforma DAQ progettata costituisce una solida base per la costruzione di un sistema di lettura piú ampio all’interno dell’esperimento TRISTAN e una piattaforma di test versatile per l’elettronica di front end in fase di sviluppo.