32-channel detection unit for mining transportable applications combining XRF-XRD techniques

This thesis is part of the PAiRED-X project. PAiRED-X (Portable Analyzer combining fluoREscence and Diffraction of X-rays) aims to create a portable tool for mining analysis. Mining is a risky and expensive activity that requires a deep knowledge of the geological area. At the moment, on the market, there are no instruments that satisfy all the needs of the sector at the same time. In this perspective, the PAiRED-X project tries to create a compact, portable, inexpensive instrument, with short acquisition time and automated for the use of non-expert personnel. The system is based on a single detection unit capable of performing both crystallographic analysis (XRD), for the detection of the sample phases, and spectroscopy analysis (XRF), for the search for the elemental composition. In particular, it uses a fitting of the combined data, according to the Rietviel method, allowing to achieve better results than those obtainable individually. The system is based on a 32 silicon microstrip matrix, coupled with two charge preamplifiers (CUBE) of 16 channels each. The use of a goniometer allows to explore a larger total angle of the incident radiation without increasing the number of detection units. Data processing is conducted by a digital pulse processor, XGLab DANTE DPP. During the thesis work, detectors with different geometric dimensions were characterized, obtaining in the best conditions an energetic resolution below 200eV at 6keV with moderate cooling. Finally, in order to further reduce the size of the system, the possibility of using an analog pulse processor, SFERA ASIC APP, was explored. The Kerberos platform featuring 3 SFERA ASICs, ADC and FGPA with USB-interfance has been used for data acquisition.

Questa tesi si colloca nell'ambito del progetto PAiRED-X. PAiRED-X (Portable Analyzer combining fluoREscence and Diffraction of X-rays) ha l'obiettivo di realizzare uno strumento portabile per l'analisi minerarie. L'estrazione mineraria è un'attività rischiosa e costosa che necessita di una conoscenza profonda dell'area geologica. Al momento, sul mercato, non ci sono strumenti che soddisfano contemporaneamente tutte le esigenze del settore. In tale ottica si delinea il progetto PAiRED-X che cerca di realizzare uno strumento compatto, portatile, economico, con brevi tempi di acquisizione e automatizzato per l'uso di personale non esperto. Il sistema si basa su una singola unità di rivelazione capace di effettuare sia analisi cristallografiche (XRD), per la rivelazione delle fasi del campione, che analisi di spettroscopia (XRF), per la ricerca della composizione elementare. In particolare sfrutta un fitting dei dati combinati, secondo il metodo Rietviel, permettendo di giungere a risultati migliori di quelli ottenibili singolarmente. Il sistema è basato su una matrice di 32 microstrip in silicio, accoppiate a due preamplificatori di carica (CUBE) di 16 canali ognuno. L'utilizzo di un goniometro permette di esplorare un maggiore angolo totale della radiazione incidente senza aumentare il numero delle unità di rivelazione. Il processamento dei dati è condotto da un processatore di impulsi digitale, XGLab DANTE DPP. Durante il lavoro di tesi, rivelatori con dimensioni geometriche diverse sono stati caratterizzati, ottenendo nelle migliori condizioni una risoluzione energetica sotto i 200eV a 6keV con un raffreddamento moderato. Infine, con l'obiettivo di ridurre ulteriormente le dimensioni del sistema, si è esplorata la possibilità di usare un processatore di impulsi analogico, SFERA ASIC APP. Per l'acquisizione dei dati è stata utilizzata la piattaforma Kerberos integrante 3 SFERA ASICs, ADC e FGPA con interfaccia USB.