Design of analog ASICs for X-ray detectors

This research project is focused on the development of readout ASICs for two main applications. The first part is mainly focused on the ASIC development for the SIDDHARTA experiment. The SIDDHARTA experiment is designed to investigate strong nuclear interactions using exotic atoms in the field of nuclear physics. Silicon Drift Detectors (SDDs) used in this experiment are arranged in arrays of 2×4 elements with total area of 612 mm2. At the final stage of SIDDHARTA experiment, 48 SDD arrays are needed to be utilized in a gantry structure to perform X-ray spectroscopy of exotic nuclei, like kaonic deuterium. Each single SDD unit in 2×4 formation of arrays is coupled to a charge sensitive preamplifier, namely CUBE, which is followed by shaping amplifier, and consequent analog and digital electronics that are all integrated on a custom developed multichannel chip called SFERA. In the first chapter of the thesis, we introduce SIDDHARTA experiment in details. After giving an insight about the main objective of the SIDDHARTA experiment and its requirements, main characteristics and working principles of SDDs will be discussed with a focus on SDDs that will be employed in SIDDHARTA Experiment. The chapter then continues with recalling basic concepts of detector signal processing as they will be used frequently in the following chapters. Finally, the charge sensitive preamplifier that will be coupled to SDDs in SIDDHARTA experiment will be introduced and discussed briefly. The second chapter introduces SFERA ASIC. SFERA (SDDs Front-End Readout ASIC), is a 16-channel ASIC that is composed of a 9th order semi-gaussian shaping filter with selectable peaking times of 0.5us, 1us, 2us, 3us, 4us and 6us as well as peak stretcher, pile-up rejection logic and different readout modalities. A dedicated digital logic, manages the data transfer to the downstream DAQ system, synchronously providing it both the "firing channels" addresses and related stretched pulse-peaks in the same time order the events are detected. This chapter then continues with the description of the detector characterization procedure as well as DAQ system used to characterize and troubleshoot detectors that will be used in final SIDDHARTA experiment. The third chapter focuses on the crosstalk and timing analyses made on SFERA and SIDDHARTA detection modules. In the SIDDHARTA experiment, in order to reject asynchronous background events, only X-rays detected within a time window opened by a kaon monitor trigger are selected. To test this detection operation, a beta source (90Sr) was used to provide a trigger and simultaneously excite fluorescence X-ray lines on a multi-element target. This chapter aims to investigate the anomalous behaviour, observed in both time and energy spectra of the SDD acquisition chain, when the detectors were exposed to radiation dominated by charged particles. The fourth chapter introduces the modifications made to SFERA ASIC to make it in-line with the experiment requirements. These modifications include but are not limited to increase of the ASIC time resolution as well as introducing new inhibit strategies that are vital for the final SIDDHARTA experiment. The second part of my research, is focused on the development of a 128-channel low-power ASIC for the readout of silicon microstrip detectors with high energy resolution and counting rate efficiency for diffractometry applications. In chapter five, we introduce the microstrip detector read-out chain and we will continue our discussion on the choice of the best filter for our application. Then the chapter continues describing the criteria considered for the choice of the filter family and its order. After this choice, count-rate linearity of the filter will be studied and statistically discussed. Later, different implementation topologies will be discussed. After deciding the filter topology, we will demonstrate on how to tune the corresponding filter components. By implementing the shaper, gain and peaking time spread will be studied through Monte Carlo analyses and by realizing the layout of the shaper, post-layout results and effects of parasitic capacitances will be discussed. In the last part of the chapter, we will discuss on the overall performance of the shaper after fabrication.

Questo progetto di ricerca si focalizza sullo sviluppo di ASIC di lettura per due diverse applicazioni nell’ambito della fisica nucleare. La prima parte di questa tesi si concentra sullo sviluppo di un ASIC per il progetto SIDDHARTA: l'esperimento SIDDHARTA è progettato per investigare le interazioni nucleari forti usando atomi esotici. L’elemento base del progetto è una matrice 2x4 di camere a deriva a semiconduttore (SDDs) di area totale uguale a 612mm2. Nello stadio finale del progetto 48 matrici di SDD verranno utilizzate in una struttura a gantry per effettuare misure di spettroscopia a raggi x di nuclei esotici come il deuterio kaonico. Ogni matrice di SDD è accoppiato a CUBE, un preamplificatore di carica a basso rumore. La lettura e il processing del segnale è affidata a SFERA un ASIC multicanale progettato per questo genere di applicazioni. Nel primo capitolo della tesi verrà descritto il progetto SIDDHARTA e il suo obiettivo principale. In seguito verranno descritti I principi di funzionamento degli sdd con una particolare attenzione a quelli della tipologia utilizzata nel progetto. Conclude il capitolo la descrizione di Cube e delle basi teoriche di teoria di processamento dei segnali. Il secondo capitolo descrive l’ASIC SFERA. SFERA (SDDs Front-End Readout ASIC), è un chip a 16 canali caratterizzato da un filtro semigaussiano del nono ordine con peaking time selezionabile, un allungatore di picco e numerose funzioni accessorie programmabili. Una sezione digitale del chip comunica con la piattaforma di acquisizione in modo da permettere la corretta lettura dei segnali. Il capito continua con la descrizione del daq utilizzato per testare I detector utilizzati nell’esperimento. Il terzo capitolo descrive le analisi effettuate per determinare le caratteristiche di timing e crosstalk dei moduli di rivelazione del progetto SIDDHARTA. Nell’esperimento è necessario riconoscere gli eventi asincroni relativi al fondo, processando solo eventi in una finestra temporale data da un trigger di controllo sui kaoni. Per testare questa funzionalità una sorgente beta (90Sr) È stata usata per eccitare la fluorescenza x su un target-multielemento contemporaneamente alla generazione di un segnale di trigger. L’analisi del comportamento anomalo del segnale fornito dal detector osservato in questa misura è descritta in questo capitolo. Il quarto capitolo descrive le modifiche effettuate nel design dell’ASIC sfera per renderne le specifiche adatte alla corretta acquisizione dei segnali ottenuti dall’utilizzo descritto nei capitoli precedenti. Queste modifiche, vitali per lo svolgimento dell’esperimento SIDDHARTA, includono il miglioramento delle proprietà di temporizzazione e nuove strategie di inibizione dei canali . La seconda parte della mia ricerca, è focalizzata sullo sviluppo di un ASIC a 128 canali a bassa potenza per la lettura di rivelatori a microstrip in silicio con alta risoluzione energetica e efficienza di conteggio per applicazioni di diffrattometria. Nel quinto capitolo viene descritta la catena di lettura del rilevatore di microstrip e presentata una discussione sulla scelta del miglior filtro per l’applicazione. Quindi il capitolo descrive i criteri considerati per la scelta della famiglia di filtri e il loro ordine. Dopo questa scelta, la linearità del filtro del conteggio sarà studiata e discussa statisticamente. Successivamente, verranno discusse diverse topologie di implementazione. Dopo aver deciso la topologia del filtro, dimostreremo come dimensionare i componenti del filtro. L’analisi del filtro formatore, è avvenuta tramite simulazioni Monte Carlo, risultati post-layout e considerando gli effetti delle capacità parassite, contribuendo alla definizione della struttura del filtro. Nell’ultima parte del capitolo vengono presentate le performance ottenute con il circuito progettato.