Development & characterization of silicon drift detector arrays & integrated readout electronics for x-ray detection applications

The aim of my doctoral activity has been the design and characterization of X-ray detection systems based on silicon drift detectors (SDDs) and low-noise integrated multichannel readout front-end for three main applications. First part of my research activity is dedicated to SIDDHARTA (Silicon Drift Detectors for Hadronic Atoms Research by Timing Applications) experiment. This experiment is an upgrade of the first one held in 2009 in Frascati (Rome) and both are meant to provide a deeper knowledge of the strong-interaction inside atoms, which is not completely defined due to the lack of experimental data. To gain new information, the experiment needs to measure as accurate as possible the shift and the width of the K-alpha emission line of the Kaonic Hydrogen, an exotic atom. The first installation of the experiment provided useful data since it was the first ever measurement of the Kaonic Deuterium X-rays, but still had limitations in resolution mostly due to background events, so it was necessary an upgrade which will be running in 2020. Both the detectors and readout electronic have been improved to match the background noise requirements, so they have to be fully characterized before using them in final experiment. There are two main topics covered in this research activity during my PhD. First part is dedicated to the development of the acquisition chain, and post-processing of the acquired data to analyse the functionality of the detectors and readout electronics. The second part is dedicated to characterization of SDDs and dealing with unexpected behaviors encountered during the characterization procedure. Besides that, some studies of the low-noise integrated multichannel readout frontend electronics have been done. Second part of my research activity is dedicated to HTRS ASIC. HTRS (High Time Resolution Spectrometer) developed in Politecnico di Milano is a fully programmable low noise 8 channel readout ASIC which is designed for high resolution and high throughput applications with Silicon Drift Detector (SDD). The circuit is designed to be used with SDD with integrated JFET. The HTRS ASIC is aimed to be used in eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry) mission, formed to examine the state of matter under excess condition of magnetism, density and gravity. Determination of QED effects in the radiation looming from greatly magnetized star, measuring the state of matter at supra-nuclear density and investigating the dynamics of matter under extreme gravity field are defined as the scientific goals of eXTP mission. The space-time near the black holes (BHs), the inner part of neutron stars (NSs) and the highly magnetized vacuum near the magnetars are still the dark side of fundamental physics. High precision X-ray measurements of Neutron stars and black holes can lead to better understanding of these fields of fundamental research. Covering and solving issues Max Planck institute for Extraterrestrial physics (MPE) faced during the HTRS ASIC installation and redesign of the ASIC carrier board and test setup have been done during my research activity. Third part of my research activity is dedicated to the development of 128 channel ASIC for the readout of silicon microstrip detectors with high counting rate efficiency and high energy resolution for X-ray diffractometry. This ASIC finds wider applications with other detector solutions as well. ASIC studies and possible modifications to solve the issues identified in wafer level characterization of the chip has been done.

Lo scopo della mia attività di dottorato è stato la progettazione e caratterizzazione di sistemi di rilevamento a raggi X basati su rivelatori di deriva al silicio (SDD) e front-end di lettura multicanale integrato a basso rumore per tre applicazioni principali. La prima parte della mia attività di ricerca è dedicata all'esperimento SIDDHARTA (Silicon Drift Detectors for Hadronic Atoms Research by Timing Applications). Questo esperimento è un aggiornamento del primo tenutosi nel 2009 a Frascati (Roma) ed entrambi hanno lo scopo di fornire una conoscenza più approfondita dell'interazione forte all'interno degli atomi, che non è completamente definita a causa della mancanza di dati sperimentali. Per ottenere nuove informazioni, l'esperimento deve misurare il più accuratamente possibile lo spostamento e la larghezza della linea di emissione K-alfa dell'idrogeno kaonico, un atomo esotico. La prima installazione dell'esperimento ha fornito dati utili poiché era la prima misurazione in assoluto dei raggi X al deuterio Kaonic, ma aveva ancora limitazioni nella risoluzione principalmente a causa di eventi in background, quindi era necessario un aggiornamento che verrà eseguito nel 2020. Entrambi i rivelatori e l'elettronica di lettura sono stati migliorati per soddisfare i requisiti del rumore di fondo, quindi devono essere completamente caratterizzati prima di utilizzarli nell'esperimento finale. Sono due gli argomenti principali trattati in questa attività di ricerca durante il mio dottorato di ricerca. La prima parte è dedicata allo sviluppo della catena di acquisizione e alla post-elaborazione dei dati acquisiti per analizzare la funzionalità dei rivelatori e dell'elettronica di lettura. La seconda parte è dedicata alla caratterizzazione degli SDD e alla gestione dei comportamenti imprevisti riscontrati durante la procedura di caratterizzazione. Oltre a ciò, sono stati condotti alcuni studi sull'elettronica di frontend di lettura multicanale integrata a basso rumore. La seconda parte della mia attività di ricerca è dedicata all'HTRS ASIC. HTRS (High Time Resolution Spectrometer) sviluppato al Politecnico di Milano è un ASIC di lettura a 8 canali a basso rumore completamente programmabile progettato per applicazioni ad alta risoluzione e ad alto rendimento con Silicon Drift Detector (SDD). Il circuito è progettato per essere utilizzato con SDD con JFET integrato. L'ASIC HTRS è destinato ad essere utilizzato nella missione eXTP (Enhanced X-ray Timing and Polarimetry), formata per esaminare lo stato della materia in condizioni di eccesso di magnetismo, densità e gravità. La determinazione degli effetti QED nella radiazione che incombe su una stella fortemente magnetizzata, la misurazione dello stato della materia a densità sovra-nucleare e lo studio delle dinamiche della materia sotto un campo gravitazionale estremo sono definiti come obiettivi scientifici della missione eXTP. Lo spazio-tempo vicino ai buchi neri (BH), la parte interna delle stelle di neutroni (NS) e il vuoto altamente magnetizzato vicino alle magnetar sono ancora il lato oscuro della fisica fondamentale. Misurazioni a raggi X ad alta precisione di stelle di neutroni e buchi neri possono portare a una migliore comprensione di questi campi di ricerca fondamentale. Coprire e risolvere i problemi che l'Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre (MPE) ha affrontato durante l'installazione dell'ASIC HTRS e la riprogettazione della scheda portante ASIC e la configurazione del test sono state eseguite durante la mia attività di ricerca. La terza parte della mia attività di ricerca è dedicata allo sviluppo di ASIC a 128 canali per la lettura di rivelatori a microstriscia in silicio con elevata efficienza di conteggio e risoluzione energetica per diffrattometria a raggi X. Questo ASIC trova anche applicazioni più ampie con altre soluzioni di rivelatori. Sono stati effettuati studi ASIC e possibili modifiche per risolvere i problemi identificati nella caratterizzazione a livello di wafer del chip.