Development of a large SDD system for electron detection

Dark matter is a hypothetical form of matter that is thought to account for about 85% of the total mass in the universe. Since it doesn’t interact with observable electromagnetic radiation, the detection of dark matter is extremely difficult with normal astronomical instruments. Active neutrino, as a subatomic particle in the Standard Model, was considered as a promising candidate for dark matter since it interacts only with the weak nuclear force and gravity. The KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) experiment aims to measure the mass of the neutrino from the measurement of only the endpoint region of tritium -decay spectrum. However, the active neutrinos account for only a small fraction of dark matter due to their tiny mass. Therefore, the existence of another type of neutrino has been hypothesized: the sterile neutrino, which is beyond the Standard Model. The TRISTAN (TRitium Investigation on STerile to Active Neutrino mixing) experiment, as an extension of the KATRIN experiment, aims to search for physical signature of the sterile neutrino in keV range through observations of the full tritium -decay spectrum. TRISTAN shares most of experimental setup with KATRIN and it will be equipped with, for the purpose of handling high count rate, an advanced detection system: a matrix of 3486 SDD pixels is arranged into 21 modules; each module contains a 166-SDD array. The aim of this thesis the development of the detection system for such a large scale of SDD pixels, in particular: the mechanical design of the single detection module for 166-SDD array; thermal validation of the detection module through a finite element method (FEM) based simulation tool. As complementary, the experimental characterization of the single pixel SDD has been performed with electron source in order to have a better prediction on the performance of the full SDD matrix and the developed front-end electronics that will be employed in the TRISTAN experiment. The thesis is organized as follows: • Chapter 1: starting from a brief overview of dark matter and neutrinos, this chapter focuses on the two relevant experiments, KATRIN and TRISTAN, which are introduced with their targets and experimental apparatuses. A highlight of the whole readout chain for the TRISTAN experiment is provided at last of this chapter. • Chapter 2: at the beginning, the chapter describes in detail the fundamental principles of the SDD and the reason for choosing this type of detector. Next, an overview on the readout ASIC (Ettore) is presented. Then, the chapter focuses on the design of the single detection module for 166-SDD array: the evolution of the mechanical design is presented and each component of the final design is described. Finally, the thermal simulation method is introduced and the thermal simulation results of the designed module are reported. • Chapter 3: the last chapter describes the experimental activities performed for the characterization of the single pixel SDD. The first section introduces the experimental electronics necessary for the measurement. The second section reports the measurement results with a conventional experimental setup. The last section reports the experimental results taken from the scanning electron microscope (SEM) measurements.

La materia oscura si ritiene rappresenti circa l’85% della massa totale nell’universo, non emette radiazione elettromagnetica e si manifesta soltanto tramite effetti gravitazionali. Il neutrino, particella subatomica del Modello standard, era considerato un candidato promettente per la materia oscura poiché interagisce solo con la forza nucleare debole e la gravità. L’esperimento KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) mira a misurare la massa del neutrino dalla misurazione della regione di endpoint dello spettro del decadimento del trizio. Tuttavia, i neutrini rappresentano solo una piccola parte della materia oscura a causa della loro piccola massa. Pertanto, l’esistenza di un altro tipo di neutrino è stata ipotizzata: il neutrino sterile, che è al di fuori del modello standard. L’esperimento TRISTAN (Tritium Investigation on STerile to Active Neutrino mixing), estensione dell’esperimento KATRIN, mira alla ricerca della firma del neutrino sterile nel range dei keV attraverso la misura dell’intero spettro del decadimento del trizio. TRISTAN condivide la maggior parte dell’apparato sperimentale di KATRIN e sarà dotato di un nuovo, avanzato, rivelatore: una matrice di Silicon Drift Detectors (SDD) costituita da 21 moduli per un totale di 3486 pixels. Ogni modulo contiene una matrice di 166 SDD. Lo scopo della tesi è lo sviluppo del sistema di rivelazione, in particolare: la progettazione meccanica del modulo singolo da 166 pixels e la validazione termica del modulo tramite simulazione basata sul metodo agli elementi finiti (FEM). Inoltre, è stata eseguita la caratterizzazione sperimentale dell’SDD a singolo con una sorgente di elettroni per studiare la risposta del rivelatore. La tesi è organizzata come segue:• Capitolo 1: partendo da una breve panoramica su materia oscura e neutrini, questo capitolo si concentra sui due esperimenti rilevanti: KATRIN e TRISTAN, che vengono introdotti con i loro obbiettivi e apparati sperimentali. Il dettaglio dell’intera catena di lettura per l’esperimento TRISTAN viene fornito alla fine di questo capitolo. • Capitolo 2: Il capitolo descrive dettagliatamente i principi fondamentali dell’SDD e la ragione per cui è stato scelto tale tipo di rivelatore. Successivamente, viene presentata una panoramica sull’ASIC di lettura (Ettore). Successivamente, il capitolo si concentra sulla progettazione del modulo a matrice da 166 SDD: viene presentata la progettazione meccanica e vengono descritti i componenti del progetto finale. Infine, viene introdotto il metodo di simulazione termica e vengono riportati i risultati delle simulazioni termiche eseguite sul modulo progettato. • Capitolo 3: l’ultimo capitolo descrive le attività sperimentali eseguite per la caratterizzazione dell’SDD a singolo pixel. La prima sezione introduce l’elettronica sperimentale per la misurazione. La seconda sezione riporta i risultati delle misure con l’apparato sperimentale da laboratorio. L’ultima sezione riporta i risultati sperimentali derivanti dalle misure effettuate con il microscopio elettronico a scansione (SEM).