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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

X-ray spectroscopy is a technique widely used in applied physics, e.g. X-ray Fluorescence (XRF), X-ray Absorption Fine structure (XAFS), MicroXRF at synchrotron facilities, as well as in many other industrial instruments. My thesis focused on ARDESIA (ARray of DEtectors for Synchrotron radIation Applications): a Silicon Drift Detector (SDD) based, low noise, high count-rate, high energy resolution, multichannel X-ray detector optimized for synchrotron X-ray fluorescence radiation-based spectroscopy application. ARDESIA is optimized for X-ray fluorescence (XRF) and X-ray Absorption Fine Structure (XAFS). XRF studies the fluorescence spectrum of a sample, discriminating energy lines, which are characteristics of precise elements, while XAFS studies the absorption coefficient of elements, close to the absorption edges. In fact, the oscillatory structure, above the absorption edges, provides information on the chemical and physical structure surrounding the excited atom. Synchrotron are experiencing brilliance upgrades, leading to higher photon flux: higher fluxes reduce the measurement time and improve the overall quality of the data. Therefore, detectors should improve their count-rate capability, so that the improvement in brilliance can be fully exploited by the user. In order to increase the count-rate capability of Silicon Drift Detectors, the detector can be segmented in small units: the higher the number of pixels, the higher the total throughput of the detector is. Detectors for ARDESIA instrument are 16-Channel Silicon Drift Detectors: a detection module made of four 4-channel monolithic silicon drift detectors was realized and tested in previous works. In this work, the 16-Channel monolithic detectors are characterized. To increase the quantum efficiency at higher energies (over 10 keV ), monolithic detectors with thickness of 800 μm and 1 mm were produced, and results of their characterization shows a good energy resolution, tough due to the higher leakage current, they need to be cooled down at lower temperatures, with respect to 450 μm-thick detectors. When segmentation of the detector increases, collimation becomes problematic, because it limits the active area of the pixel. One of my tasks was to study charge sharing events among channels in a monolithic detector. The feasibility of electronic collimation, i.e. eliminate incomplete charge collection, due to charge sharing, from the background, with a non-physical approach, was also studied, showing promising results. Since segmented detectors become necessary to increase the throughput, a simulator, to predict the behavior of Silicon Drift Detectors, was developed. With respect to an experimental approach, a simulator allows to reduce the costs and time to study detectors with different pixel size. Moreover, in the design phase, it allows to predict the performance of the detectors, based on relatively simple calculations. The simulator was developed in MATLAB environment, with an approach based on experimental data and modelling: simulations and experimental results were considered to model key phenomena in the detectors, such as collection time, rise time, ballistic deficit, charge cloud broadening and charge sharing. From the models, figures of merit such as energy resolution and peak-to-background can be simulated for different geometrical and process parameters. About the thermal design of the instrument, the thermal system was equipped with a closed loop controller, implemented through a Proportional-Integral (PI) algorithm. Proportional-Integral controllers offer good stability and quick response to variations of the setpoint. Control algorithm was implemented on the external board for thermal management, already available for the instrument. Once the firmware was completed, the gain parameters of the algorithm needed to be tuned, to obtain the best possible thermal performances. It is now possible to regulate the temperature, that is kept stable, at the setpoint fixed by the user: test on the instrument show a quick step response, that allows to reach the setpoint in short time. The thesis is organized as follows: • In Chapter 1 the project background is presented. First X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) is introduced. Then, the most used detectors for XAFS measurements are described, with more insights on Silicon Drift Detectors (SDDs). In the following, mechanisms of charge generation and charge collection in the detector are treated. Finally, the signal processing chain is introduced, highlighting energy resolution related issues. • In Chapter 2 a brief overview of the spectrometer is given, before describing the detection module of the instrument. Then, the 16-Channel monolithic detector is introduced. The detector characterization is treated next, after a brief description of the characterization setup. A 16-Channel monolithic 800 μm – thick detector is characterized, showing that all channels are functioning and with good energy resolutions. Then, charge sharing events among channels of the monolithic detector are defined, and the possibility to develop electronic collimation is presented, as the charge sharing events are rejected from the spectrum. • In Chapter 3 a simulator to predict the behavior of Silicon Drift Detectors is presented: first, motivation and methodology will be briefly introduced. Then, the collection time in the detector is modeled, starting from simulations of anode current at different distance from the anode. A model for the rise time, ballistic deficit, energy resolution and peak-to-background is developed. • In Chapter 4 the thermal control system is treated. First, ARDESIA mechanical structure is presented. Then, the thermal management system is analyzed in each of its part. The Proportional-Integral (PI) control is introduced, and the implementation of the control firmware is shown. Finally, tuning of the controller parameter is carried out.

La spettroscopia a raggi X è una tecnica ampliamente impiegata nella fisica applicata (ad es. misurazioni XRF, X-ray Fluorescence, XAFS, X-ray Absorption Fine Structure e MicroXRF presso sincrotroni), ma anche in strumentazioni industriali. La mia tesi si sviluppa come parte del progetto ARDESIA. 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 (SDD), a basso rumore, che permettono di raggiungere alta capacità di conteggio e alta risoluzione energetica. Le principali applicazioni per cui è pensato lo strumento ARDESIA sono la fluorescenza di raggi X (XRF) e la spettroscopia X-ray Absorption Fine Structure (XAFS). La spettroscopia XRF (X-ray Fluorescence) permette di ricostruire gli elementi che compongono un campione, irradiato con luce di Sincrotrone, riconoscendo nello spettro le linee di fluorescenza caratteristiche di ogni elemento. La spettroscopia XAFS studia invece la variazione dell’andamento del coefficiente di assorbimento di una sostanza, in funzione dell’energia della radiazione incidente. Dall’analisi degli spettri ottenuti, si possono ricavare informazioni sulla struttura locale dell’elemento assorbitore eccitato. Poichè fasci di luce di sincrotrone a più alta intensità vengono sviluppati, per ridurre i tempi di misura degli esperimenti di XAFS o XFR e per raccogliere dati più accurati, è necessario aumentare la capacità di conteggio dei rivelatori: in particolare Silicon Drift Detector con grandi aree, possono essere segmentati in pixel. Maggiore è il numero di pixel, maggiore sarà la capacità di conteggio totale della matrice di SDD. Tuttavia, la segmentazione dei rivelatori pone alcuni interrogativi, in particolare circa la collimazione: infatti, riducendo l’area del singolo pixel, la presenza di un collimatore, per eliminare gli eventi di charge sharing fra canali adiacenti, ridurrà notevolmente anche l’area attiva del rivelatore. Per questo motivo, parte del mio lavoro è stato concentrato sull’analisi dei fenomeni di charge sharing, su matrici di Silicon Drift Detectors utilizzate nel progetto ARDESIA. Le matrici utilizzate e testate sono rivelatori a 16 canali monolitici e sono state prodotte con tre spessori: 450 μm, 800μm e 1 mm. Il maggiore spessore dei detector garantisce una più alta efficienza quantica ad energie superiori a 10 keV . Per fare fronte alla dimininuzione delle dimensioni dei pixel, per aumentare la capacità di conteggio, ho sviluppato uno studio di fattibilità sulla collimazione elettronica, ovvero eliminazione degli eventi di charge sharing fra canali adiacenti, realizzata in post-processing. Gli eventi di charge sharing fra canali adiacenti vengono identificati e successivamente rigettati. Lo studio mostra risultati promettenti a bassi conteggi. In secondo luogo, per studiare in modo più approfondito la segmentazione dei Silicon Drift Detectors, è stato progettato un simulatore, costruito in ambiente MATLAB, per il calcolo di parametri fondamentali di uno spettro prodotto con Silicon Drift Detectors. Rispetto ad un approccio sperimentale, lo sviluppo di un simulatore permette di studiare le performance dei rivelatori, in base a parametri geometrici e condizioni operative, a costo minore e in tempi minori. Inoltre, permette di orientare il progetto dei Silicon Drift Detectors, stimando le performance ottenibili. Il simulatore si basa sulla modellizzazione della generazione e raccolta della carica nei detector e degli stadi successivi del processing del segnale. I risultati del simulatore sono stati comparati con risultati sperimentali, ottenuti sui rivelatori di ARDESIA. Infine, per quanto concerne lo strumento ARDESIA, il sistema termico, necessario per raffreddare i rivelatori, riducendo la corrente di leakage, è stato dotato di un controllo in anello chiuso, per mantenere stabile la temperatura. L’algoritmo di controllo è stato sviluppato sulla scheda esterna per il controllo del sistema termico, già sviluppata per il progetto ARDESIA, utilizzando un controllo Proporzionale-Integrale (PI), che garantisce buona stabilità in anello chiuso e risposta veloce alle variazioni del setpoint. Una volta sviluppato l’algoritmo di controllo, è stato necessario ottimizzare i parametri del controllore, per il sistema considerato, tramite verifiche sperimentali. E’ ora possibile controllare la temperature del rivelatore, mantenendola costante al setpoint fissato dall’utente: la risposta a variazioni del setpoint risulta veloce, permettendo di raffreddare lo strumento in tempi brevi. Di seguito è riportata l’organizzazione del lavoro di tesi qui presentato: • Capitolo 1 : vengono brevemente riportati i concetti base dell’assorbimento dei raggi X, con particolare attenzione alla tecnica XAFS. In seguito, vengono introdotti i rivelatori a stato solido, sottolineando il ruolo dei rivelatori SDD. Viene poi descritta la formazione del segnale e la raccolta della carica generata nei rivelatori. Infine,la catena di elaborazione del segnale viene presentata, sottolineando le problematiche che portano al peggioramento della risoluzione energetica • Capitolo 2 : viene introdotta una breve descrizione dello spettrometro ARDESIA a 16 canali, focalizzandosi maggiormente sul modulo di rivelazione e in particolare sul modulo monolitico. In seguito, viene brevemente descritto il setup utilizzato per testare i rivelatori. Un modulo monolitico con spessore di 800 μm, viene in seguito caratterizzato. SDD con differenti spessori, collimati e non collimati, sono stati caratterizzati, e in questo capitolo vengono riportati i dati ottenuti. Viene poi definito il concetto di charge sharing fra canali e adiacenti, e vengono mostrate misure realizzate su uno dei moduli monolitici caratterizzati. Infine, è presentato uno studio di fattibilità sulla collimazione elettronica. • Capitolo 3 : Viene introdotto il simulatore per il comportamento degli SDD segmentati. In primo luogo, il tempo di collezione della carica ed effetti di allargamento del pacchetto di carica vengono modellizati. In seguito, viene presentato il modello della catena di elaborazione, che permette di calcolare rise time, deficit balistico e risoluzione energetica. Infine, è presentato un modello di charge sharing, basato sulle misure sperimentali realizzate nel precedente capitolo, che permette di calcolare il rapporto picco-valle dello spettro. • Capitolo 4 : In primo luogo il capitolo descrive brevemente la struttura meccanica dello spettrometro ARDESIA a 16 canali. In seguito, è presentato il sistema termico dello strumento, con descrizione delle singole componenti. La teoria del controllo Proporzionale-Integrativo è poi trattata. Infine, è descritto lo sviluppo del firmware per il controllo della temperatura, e l’ottimizzazione sperimentale dei parametri del controllore.

Modelling and characterization of monolithic arrays of silicon drift detectors for high-rate spectroscopy

Rizzo, Martina
2019/2020

Abstract

X-ray spectroscopy is a technique widely used in applied physics, e.g. X-ray Fluorescence (XRF), X-ray Absorption Fine structure (XAFS), MicroXRF at synchrotron facilities, as well as in many other industrial instruments. My thesis focused on ARDESIA (ARray of DEtectors for Synchrotron radIation Applications): a Silicon Drift Detector (SDD) based, low noise, high count-rate, high energy resolution, multichannel X-ray detector optimized for synchrotron X-ray fluorescence radiation-based spectroscopy application. ARDESIA is optimized for X-ray fluorescence (XRF) and X-ray Absorption Fine Structure (XAFS). XRF studies the fluorescence spectrum of a sample, discriminating energy lines, which are characteristics of precise elements, while XAFS studies the absorption coefficient of elements, close to the absorption edges. In fact, the oscillatory structure, above the absorption edges, provides information on the chemical and physical structure surrounding the excited atom. Synchrotron are experiencing brilliance upgrades, leading to higher photon flux: higher fluxes reduce the measurement time and improve the overall quality of the data. Therefore, detectors should improve their count-rate capability, so that the improvement in brilliance can be fully exploited by the user. In order to increase the count-rate capability of Silicon Drift Detectors, the detector can be segmented in small units: the higher the number of pixels, the higher the total throughput of the detector is. Detectors for ARDESIA instrument are 16-Channel Silicon Drift Detectors: a detection module made of four 4-channel monolithic silicon drift detectors was realized and tested in previous works. In this work, the 16-Channel monolithic detectors are characterized. To increase the quantum efficiency at higher energies (over 10 keV ), monolithic detectors with thickness of 800 μm and 1 mm were produced, and results of their characterization shows a good energy resolution, tough due to the higher leakage current, they need to be cooled down at lower temperatures, with respect to 450 μm-thick detectors. When segmentation of the detector increases, collimation becomes problematic, because it limits the active area of the pixel. One of my tasks was to study charge sharing events among channels in a monolithic detector. The feasibility of electronic collimation, i.e. eliminate incomplete charge collection, due to charge sharing, from the background, with a non-physical approach, was also studied, showing promising results. Since segmented detectors become necessary to increase the throughput, a simulator, to predict the behavior of Silicon Drift Detectors, was developed. With respect to an experimental approach, a simulator allows to reduce the costs and time to study detectors with different pixel size. Moreover, in the design phase, it allows to predict the performance of the detectors, based on relatively simple calculations. The simulator was developed in MATLAB environment, with an approach based on experimental data and modelling: simulations and experimental results were considered to model key phenomena in the detectors, such as collection time, rise time, ballistic deficit, charge cloud broadening and charge sharing. From the models, figures of merit such as energy resolution and peak-to-background can be simulated for different geometrical and process parameters. About the thermal design of the instrument, the thermal system was equipped with a closed loop controller, implemented through a Proportional-Integral (PI) algorithm. Proportional-Integral controllers offer good stability and quick response to variations of the setpoint. Control algorithm was implemented on the external board for thermal management, already available for the instrument. Once the firmware was completed, the gain parameters of the algorithm needed to be tuned, to obtain the best possible thermal performances. It is now possible to regulate the temperature, that is kept stable, at the setpoint fixed by the user: test on the instrument show a quick step response, that allows to reach the setpoint in short time. The thesis is organized as follows: • In Chapter 1 the project background is presented. First X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) is introduced. Then, the most used detectors for XAFS measurements are described, with more insights on Silicon Drift Detectors (SDDs). In the following, mechanisms of charge generation and charge collection in the detector are treated. Finally, the signal processing chain is introduced, highlighting energy resolution related issues. • In Chapter 2 a brief overview of the spectrometer is given, before describing the detection module of the instrument. Then, the 16-Channel monolithic detector is introduced. The detector characterization is treated next, after a brief description of the characterization setup. A 16-Channel monolithic 800 μm – thick detector is characterized, showing that all channels are functioning and with good energy resolutions. Then, charge sharing events among channels of the monolithic detector are defined, and the possibility to develop electronic collimation is presented, as the charge sharing events are rejected from the spectrum. • In Chapter 3 a simulator to predict the behavior of Silicon Drift Detectors is presented: first, motivation and methodology will be briefly introduced. Then, the collection time in the detector is modeled, starting from simulations of anode current at different distance from the anode. A model for the rise time, ballistic deficit, energy resolution and peak-to-background is developed. • In Chapter 4 the thermal control system is treated. First, ARDESIA mechanical structure is presented. Then, the thermal management system is analyzed in each of its part. The Proportional-Integral (PI) control is introduced, and the implementation of the control firmware is shown. Finally, tuning of the controller parameter is carried out.
UTICA, GIANLORENZO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-dic-2020
2019/2020
La spettroscopia a raggi X è una tecnica ampliamente impiegata nella fisica applicata (ad es. misurazioni XRF, X-ray Fluorescence, XAFS, X-ray Absorption Fine Structure e MicroXRF presso sincrotroni), ma anche in strumentazioni industriali. La mia tesi si sviluppa come parte del progetto ARDESIA. 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 (SDD), a basso rumore, che permettono di raggiungere alta capacità di conteggio e alta risoluzione energetica. Le principali applicazioni per cui è pensato lo strumento ARDESIA sono la fluorescenza di raggi X (XRF) e la spettroscopia X-ray Absorption Fine Structure (XAFS). La spettroscopia XRF (X-ray Fluorescence) permette di ricostruire gli elementi che compongono un campione, irradiato con luce di Sincrotrone, riconoscendo nello spettro le linee di fluorescenza caratteristiche di ogni elemento. La spettroscopia XAFS studia invece la variazione dell’andamento del coefficiente di assorbimento di una sostanza, in funzione dell’energia della radiazione incidente. Dall’analisi degli spettri ottenuti, si possono ricavare informazioni sulla struttura locale dell’elemento assorbitore eccitato. Poichè fasci di luce di sincrotrone a più alta intensità vengono sviluppati, per ridurre i tempi di misura degli esperimenti di XAFS o XFR e per raccogliere dati più accurati, è necessario aumentare la capacità di conteggio dei rivelatori: in particolare Silicon Drift Detector con grandi aree, possono essere segmentati in pixel. Maggiore è il numero di pixel, maggiore sarà la capacità di conteggio totale della matrice di SDD. Tuttavia, la segmentazione dei rivelatori pone alcuni interrogativi, in particolare circa la collimazione: infatti, riducendo l’area del singolo pixel, la presenza di un collimatore, per eliminare gli eventi di charge sharing fra canali adiacenti, ridurrà notevolmente anche l’area attiva del rivelatore. Per questo motivo, parte del mio lavoro è stato concentrato sull’analisi dei fenomeni di charge sharing, su matrici di Silicon Drift Detectors utilizzate nel progetto ARDESIA. Le matrici utilizzate e testate sono rivelatori a 16 canali monolitici e sono state prodotte con tre spessori: 450 μm, 800μm e 1 mm. Il maggiore spessore dei detector garantisce una più alta efficienza quantica ad energie superiori a 10 keV . Per fare fronte alla dimininuzione delle dimensioni dei pixel, per aumentare la capacità di conteggio, ho sviluppato uno studio di fattibilità sulla collimazione elettronica, ovvero eliminazione degli eventi di charge sharing fra canali adiacenti, realizzata in post-processing. Gli eventi di charge sharing fra canali adiacenti vengono identificati e successivamente rigettati. Lo studio mostra risultati promettenti a bassi conteggi. In secondo luogo, per studiare in modo più approfondito la segmentazione dei Silicon Drift Detectors, è stato progettato un simulatore, costruito in ambiente MATLAB, per il calcolo di parametri fondamentali di uno spettro prodotto con Silicon Drift Detectors. Rispetto ad un approccio sperimentale, lo sviluppo di un simulatore permette di studiare le performance dei rivelatori, in base a parametri geometrici e condizioni operative, a costo minore e in tempi minori. Inoltre, permette di orientare il progetto dei Silicon Drift Detectors, stimando le performance ottenibili. Il simulatore si basa sulla modellizzazione della generazione e raccolta della carica nei detector e degli stadi successivi del processing del segnale. I risultati del simulatore sono stati comparati con risultati sperimentali, ottenuti sui rivelatori di ARDESIA. Infine, per quanto concerne lo strumento ARDESIA, il sistema termico, necessario per raffreddare i rivelatori, riducendo la corrente di leakage, è stato dotato di un controllo in anello chiuso, per mantenere stabile la temperatura. L’algoritmo di controllo è stato sviluppato sulla scheda esterna per il controllo del sistema termico, già sviluppata per il progetto ARDESIA, utilizzando un controllo Proporzionale-Integrale (PI), che garantisce buona stabilità in anello chiuso e risposta veloce alle variazioni del setpoint. Una volta sviluppato l’algoritmo di controllo, è stato necessario ottimizzare i parametri del controllore, per il sistema considerato, tramite verifiche sperimentali. E’ ora possibile controllare la temperature del rivelatore, mantenendola costante al setpoint fissato dall’utente: la risposta a variazioni del setpoint risulta veloce, permettendo di raffreddare lo strumento in tempi brevi. Di seguito è riportata l’organizzazione del lavoro di tesi qui presentato: • Capitolo 1 : vengono brevemente riportati i concetti base dell’assorbimento dei raggi X, con particolare attenzione alla tecnica XAFS. In seguito, vengono introdotti i rivelatori a stato solido, sottolineando il ruolo dei rivelatori SDD. Viene poi descritta la formazione del segnale e la raccolta della carica generata nei rivelatori. Infine,la catena di elaborazione del segnale viene presentata, sottolineando le problematiche che portano al peggioramento della risoluzione energetica • Capitolo 2 : viene introdotta una breve descrizione dello spettrometro ARDESIA a 16 canali, focalizzandosi maggiormente sul modulo di rivelazione e in particolare sul modulo monolitico. In seguito, viene brevemente descritto il setup utilizzato per testare i rivelatori. Un modulo monolitico con spessore di 800 μm, viene in seguito caratterizzato. SDD con differenti spessori, collimati e non collimati, sono stati caratterizzati, e in questo capitolo vengono riportati i dati ottenuti. Viene poi definito il concetto di charge sharing fra canali e adiacenti, e vengono mostrate misure realizzate su uno dei moduli monolitici caratterizzati. Infine, è presentato uno studio di fattibilità sulla collimazione elettronica. • Capitolo 3 : Viene introdotto il simulatore per il comportamento degli SDD segmentati. In primo luogo, il tempo di collezione della carica ed effetti di allargamento del pacchetto di carica vengono modellizati. In seguito, viene presentato il modello della catena di elaborazione, che permette di calcolare rise time, deficit balistico e risoluzione energetica. Infine, è presentato un modello di charge sharing, basato sulle misure sperimentali realizzate nel precedente capitolo, che permette di calcolare il rapporto picco-valle dello spettro. • Capitolo 4 : In primo luogo il capitolo descrive brevemente la struttura meccanica dello spettrometro ARDESIA a 16 canali. In seguito, è presentato il sistema termico dello strumento, con descrizione delle singole componenti. La teoria del controllo Proporzionale-Integrativo è poi trattata. Infine, è descritto lo sviluppo del firmware per il controllo della temperatura, e l’ottimizzazione sperimentale dei parametri del controllore.
Tesi di laurea Magistrale
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Descrizione: Modelling and Characterization of Monolithic Arrays of Silicon Drift Detectors for High-Rate Spectroscopy
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