Towards a high count-rate and high resolution 16-channel X-ray spectrometer with enhanced efficiency

The goal of my thesis project is the development of a new X-ray spectrometer. X-ray spectroscopy is a technique used both in fundamental physics (e.g. nuclear physics experiments) and applied physics (e.g. Xray Absorption Fine Structure – XAFS –, X-ray Fluorescence – XRF –, MicroXRF measurements at synchrotron facilities) as well as in many industrial applications. My activity took place in the framework of the ARDESIA experiment. 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 optimized for synchrotron X-ray fluorescence spectroscopy applications. X-ray fluorescence (XRF) and X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopies are the main applications that are targeted by ARDESIA. X-Ray Fluorescence (XRF) spectroscopy studies the fluorescence spectrum of materials. It measures spectroscopy lines which are characteristic for the chemical elements in the sample. X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy studies the absorption coefficient of materials in the region close to the absorption edges. After-edge oscillations of the absorption coefficient contain information about the chemical and physical structure that surrounds the excited atom. To cope with future synchrotron measurements at higher fluxes, a design of a 16-Channel X-ray spectrometer with enhanced performances in terms of efficiency and count-rate capability is the target of this development. A preliminary 4-channel prototype has been previously designed and successfully validated in measurements campaigns (XRF, XAFS) in synchrotron beamlines. My main task has been the design and production of the 16-Channel ARDESIA spectrometer, from the mechanics to the thermal design, from the detection module to the readout electronics. The increased number of channels has lead to a significant increase in the complexity of the system, therefore we tried to not lose compactness of the previous instrument. The whole detection module has been designed with a particular focus on scattering events suppression and detector solid angle, increasing the spectrometer detection efficiency. To have the maximum flexibility of use, the detection module features two possible configurations. A modular detection module composed by four monolithic 4-Channel SDD arrays; a monolithic detection module composed by a monolithic 16-Channel SDD array. The monolithic detection module optimizes the spectrometer solid angle leading to a better suppression of the scattering events. On the other hand, the production yield, to reach 16 fully working channels, is expected to be lower than the one of the modular detection module. Then, the spectrometer mechanical system have been redesigned, improving its vacuum seal and keeping it lightweight without compromising durability. Even with the increased number of channels, the size increased minimally. About the thermal design, after extensive simulations using COMSOL Multiphysics environment, the speed and the effectiveness of the cooling phase have been significantly improved. The lower temperature reached by the detector leads to a lower leakage current and the speed of the cooling phase has been made competitive with commercial instruments. Thus, the whole spectrometer readout chain and output connections have been designed. The internal boards performs the SDDs and the charge preamplifiers biasing, the generation of a signal to reset the charge preamplifiers and signals conditioning. These boards have been optimized in terms of noise in order to make it negligible compared to the one of the detection module. The final part of my work consisted in the detection module characterization. Therefore, a lab setup for the testing of the modular detection module has been created. It comprises of a testing box that reproduces the environmental conditions to which the detector is subjected inside the spectrometer, and of a PCB that emulates the internal electronics boards of the instrument (i.e. the Setup Board). In order to enhance the detector quantum efficiency at higher X-ray energies, the testing focused not only on the 16-Channel system, but also on novel silicon drift detector technologies with larger wafer thickness. A preliminary study on thicker (800um and 1mm) detectors showed positive results, paving the way to a future 16-Channel detection module based on thicker SDDs. By the implementation of the 16-channel X-ray spectrometer, improvements in terms of Output Counting Rate (OCR) have been achieved, passing from 4Mcps to 16Mcps (supposing to use a DPP with 1Mcps=channel like DANTE). Moreover, performance in terms of energy resolution turned out to be competitive with commercial state-of-the-art systems employing less channels.

L’obiettivo del mio progetto di tesi consiste nella realizzazione di uno spettrometro a raggi X. La spettroscopia a raggi X è una tecnica impiegata in molti campi della fisica fondamentale (ad es. in esperimenti di fisica nucleare) e della fisica applicata (ad es. misurazioni XAFS - X-ray Absorption Fine Structure -, XRF - X-Ray Fluorescence - e MicroXRF presso sincrotroni), così come in diverse applicazioni industriali. La mia tesi rientra nel progetto ARDESIA. In particolare, 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. La spettroscopia di fluorescenza ai raggi X (XRF) e la spettroscopia X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) sono le principali applicazioni su cui verte ARDESIA. La spettroscopia XRF (X-Ray Fluorescence) è una tecnica che permette di conoscere la composizione elementale di un campione attraverso lo studio dello spettro di radiazione di fluorescenza X. La spettroscopia XAFS studia l’andamento del coefficiente di assorbimento di una sostanza in funzione dell’energia della radiazione incidente. Dall’analisi dello spettro, è possibile ricavare diverse informazioni qualitative e quantitative sulla struttura locale dell’elemento assorbitore eccitato, tra cui geometria e numero di coordinazione, stato di ossidazione, distanze di legame, disordine statico e vibrazionale. Per far fronte a fasci di luce di sincrotrone a più alta intensità, si è rivelata necessaria la realizzazione di uno spettrometro a raggi X a 16 canali, assicurando conteggi più alti e maggior efficienza.Un prototipo a 4 canali è già stato implementato in precedenza e caratterizzato in diverse beamlines. L’obiettivo del mio lavoro è la realizzazione dello spettrometro ARDESIA a 16 canali in tutte le sue componenti, dalla meccanica alla parte termica, dal modulo di rivelazione all’elettronica interna. L’aumento del numero di canali corrisponde ad un aumento considerevole della complessità del sistema, per il quale si è voluta mantenere la stessa compattezza e portabilità dello strumento precedente. Il modulo di rivelazione è stato progettato cercando di massimizzare l’angolo solido ed evitare l’interazione con eventi di scattering. In modo da avere la massima flessibilità di utilizzo, son state progettate due possibili configurazioni. Il modulo di rivelazione modulare composto da 4 SDD monolitici a 4 canali; il modulo di rivelazione monolitico composto da un SDD monolitico a 16 canali. Il modulo monolitico ottimizza al meglio l’angolo solido, portando ad una migliore soppressione di eventi di scattering rispetto al modulo modulare. Tuttavia, non ottimizza al meglio la resa produttiva in quanto risulta complicato ottenere 16 canali totalmente funzionanti in un unico SDD monolitico. Successivamente, la meccanica dello spettrometro è stata completamente ridisegnata in modo da fornire notevoli migliorie per quanto riguarda la tenuta del vuoto e la durabilità, senza compromettere in maniera eccessiva il peso dello strumento. Anche se il numero di canali è 4 volte più grande rispetto alla precedente versione, le dimensioni totali sono aumentate minimamente. Per quanto riguarda la progettazione della parte termica, si è prestata particolare attenzione alla sua efficienza e velocità nel raggiungere temperature molto basse. Raffreddare il rivelatore porta ad avere minor corrente di buio e la rapidità rende lo spettrometro competitivo con strumenti commerciali. Dopo di che, sono state progettate la catena di lettura del segnale dello strumento e le connessioni d’uscita. Le schede elettroniche interne si occupano della polarizzazione del modulo di rivelazione e dei rispettivi preamplificatori, della generazione di un segnale di reset e del condizionamento dei segnali. Particolare attenzione si è prestata al rumore elettronico, rendendolo trascurabile rispetto a quello del modulo di rivelazione. Infine, il modulo di rivelazione modulare a 16 canali è stato caratterizzato. Per far ciò, è stato utilizzato un dedicato setup di laboratorio. E’ stata creata una camera affinché riproducesse le condizioni a cui è sottoposto il rivelatore all’interno dello spettrometro; inoltre, è stata progettata una scheda elettronica affinché replicasse la catena di lettura del segnale dello spettrometro. Lo studio non si è focalizzato solamente sul modulo di rivelazione a 16 canali, ma anche su nuove tipologie di SDD. Infatti, per aumentare l’efficienza quantica del rivelatore a più alte energie, SDD con spessori maggiori (800um e 1mm) son stati prodotti e caratterizzati. I risultati positivi ottenuti aprono la strada ad una futura implementazione del modulo a 16 canali con SDD spessi. Grazie all’implementazione dello spettrometro a 16 canali, si è ottenuto un considerevole aumento del conteggio, passando da 4Mcps a 16Mcps (supponendo di usare un DPP con 1Mcps=channel come DANTE); inoltre, esso mostra prestazioni, in termini di risoluzione di energia, competitive con spettrometri commerciali, pur impiegando un maggior numero di canali.