High energy resolution X and gamma ray spectroscopic system based on CDTE detector and ultra low-noise and high speed front-end electronics

In this thesis are reported the results of the research on a spectroscopic system prototype based on a Cadmium Telluride (CdTe) detector coupled to an ultra-low noise and high speed front-end electronics. The goal is to evaluate the highest spectroscopic performance achievable by the system in order to try to overcome the limits emerged from literature of the last ten years and at the same time to address the issues due to the peculiar physics of the detector. In the first chapter, the physical properties and the state of the art of CdTe detectors are presented along with an insight on the characteristic “polarization effect”. In the second chapter is reported the electrical characterization devoted to evaluating the performance of the detector alone, in order to define the limits of the subsequent spectroscopic characterization of the full system prototype, shown in chapter three. Since the high energetic resolution and the possibility to work with high flux radiation are essential to the final application, the spectroscopic characterization has been focused on finding the optimal working condition to ensure the best energetic resolution at room temperature and moreover the behaviour at short processing times has been studied. Lastly, in the fourth chapter, the analysis of experimental signals from the detector with a theoretical model has been illustrated, this allowed to extract the transport properties parameters of the charge carriers and also to describe the behaviour in time of the electric field inside the detector, which in turn is remarkable since it provides more information on the detrimental “polarization effect”.

In questa tesi sono presentati i risultati della ricerca su un prototipo di sistema spettroscopico basato su un rivelatore in Cadmio Tellurio (CdTe) accoppiato ad un’elettronica di front-end ad ultra-basso rumore e con elevata velocità di risposta. L’obiettivo è di valutare le prestazioni spettroscopiche più spinte che è possibile raggiungere con il sistema in modo da cercare di superare le limitazioni emerse dalla letteratura degli ultimi dieci anni e contemporaneamente mettere in luce le problematiche legate alla peculiare fisica del rivelatore. Nel primo capitolo è presentato un approfondimento sulle proprietà fisiche e sullo stato dell’arte dei rivelatori in CdTe, ponendo particolare attenzione al caratteristico “effetto di polarizzazione”. Nel secondo capitolo è riportata la caratterizzazione elettrica volta a valutare le performance del solo rivelatore, in modo da definire i limiti della successiva caratterizzazione spettroscopica del sistema completo, mostrata nel terzo capitolo. Siccome per l’applicazione finale sono essenziali l’elevata risoluzione energetica e la possibilità di lavorare con un elevato flusso di radiazione incidente, la caratterizzazione spettroscopica si è incentrata sul trovare le condizioni di lavoro ottime che garantiscono la migliore risoluzione energetica a temperatura ambiente e si è anche studiato il comportamento del sistema per bassi tempi di processamento. Infine nel quarto capitolo è illustrata l’analisi dei segnali sperimentali del rivelatore tramite un modello teorico, questo ha consentito di ricavare parametri di trasporto dei portatori di carica e anche di descrivere l’andamento temporale del campo elettrico nel rivelatore, di elevata importanza perché consente di avere maggiori informazioni sul deleterio “effetto di polarizzazione”.