Low-noise low-power integrated circuits for high resolution X and gamma ray semiconductor detectors

The increasing demand for performance improvements in radiation detectors, driven by cutting-edge research in nuclear physics, astrophysics and medical imaging systems, is causing not only a proliferation in the variety of the radiation sensors, but also a growing necessity of tailored solutions for front-end readout circuits and for signal elaboration, storage and digital transmission. The aim of the presented work is to study novel solutions for the readout Application Specific Integrated Circuits (ASICs), defining new possible paths for improving the state-of-the-art in terms of energy resolution, speed and power consumption, that compose the most important tradeoffs in the design of the front-end electronics. In the first part of this work, a newly designed Charge Sensitive Amplifier (CSA), named SIRIO-6, is be presented, optimizing the noise performance - and thus the spectroscopic resolution - with specific focus on sub-microsecond signal processing time, addressing the growing interest in high-luminosity experiments. The preamplifier demonstrated a excellent results when connected to Silicon Drift Detectors (SDDs) at moderate cooling, achieving an optimum noise of 3.4 electrons r.m.s. and with room temperature Cadmium-Telluride (CdTe) detectors, recording a state-of-the-art noise performance which improves by a factor of two the best energy resolution present in literature at the time of writing for comparable experimental conditions. The integration of the CSA and the experimental results obtained on two custom radiation detection instruments realized for the ELETTRA (Trieste, Italy) and SESAME (Allan, Jordan) synchrotrons is described and commented. In the second part of this work, an ASIC constellation designed for X-Gamma Imaging Spectrometer (XGIS) onboard of the THESEUS (Transient High Energy Sources and Early Universe Surveyor) space mission is described. The XGIS is composed by two cameras that operate as wide field-deep sky monitors, and are based on a position sensitive double detection mechanism for image reconstruction, in which each pixel is constituted by a Thallium activated cesium Iodide scintillator crystal and two SDDs glued at both ends of the crystal. The presented readout ASIC, named ORION, for designed for XGIS instrument, has a highly customized distributed architecture constituted by a total of 25600 front-end chips and 1600 multi-channel back-end chips, and is capable of a complete on-chip signal filtering, acquisition and digitization.

La crescente richiesta di miglioramenti delle prestazioni nei rivelatori di radiazioni, guidata dalla ricerca all'avanguardia in fisica nucleare, astrofisica e sistemi di imaging medico, sta causando non solo una proliferazione nella varietà dei sensori di radiazioni, ma anche una crescente necessità di soluzioni su misura per i circuiti elettronici di front-end responsabili per le operazioni di lettura, elaborazione, memorizzazione e trasmissione digitale del segnale rilevato. Scopo del presente lavoro è lo studio e lo sviluppo di nuove soluzioni per circuiti integrati custom (ASIC) per rilevatori di radiazioni, definendo nuovi possibili percorsi per il miglioramento dello stato dell'arte in termini di risoluzione energetica, velocità e consumo di energia, che insieme rappresentano i compromessi più critici nella progettazione dell'elettronica front-end. Nella prima parte di questo lavoro, viene presentato un amplificatore di carica (CSA) di nuova concezione, denominato SIRIO-6, che ottimizza le prestazioni del rumore - e quindi la risoluzione spettroscopica - con particolare attenzione ai tempo di processamento del segnale inferiori al microsecondo, indirizzando il crescente interesse per gli esperimenti ad alta luminosità. Il preamplificatore ha dimostrato ottimi risultati se collegato a rilevatori a deriva (SDD) con raffreddamento moderato, ottenendo un rumore ottimo di 3.4 elettroni r.m.s., e con rilevatori in tellururo di cadmio (CdTe) a temperatura ambiente, che registrano prestazioni di rumore all'avanguardia, tali da migliorare di un fattore due la migliore risoluzione energetica attualmente presente in letteratura per condizioni sperimentali comparabili. Viene descritta e commentata l'integrazione del CSA e dei risultati sperimentali ottenuti su due rivelatori di radiazioni realizzati appositamente per i sincrotroni ELETTRA (Trieste, Italia) e SESAME (Allan, Giordania). Nella seconda parte di questo lavoro, viene descritta una costellazione di ASIC progettata per lo spettrometro X-Gamma (XGIS) a bordo della missione spaziale THESEUS (Transient High Energy Sources and Early Universe Surveyor). L'XGIS è composto da due telecamere che funzionano come monitor del cielo ad ampio campo e si basano su un doppio meccanismo di rilevamento sensibile alla posizione per la ricostruzione dell'immagine, in cui ogni pixel è costituito da un cristallo scintillatore allo ioduro di cesio attivato con tallio e da due SDD incollati a entrambe le estremità del cristallo. L'ASIC presentato, denominato ORION, progettato per lo strumento XGIS, ha un'architettura distribuita altamente customizzata costituita da un totale di 25600 chip di front-end e 1600 chip di back-end multicanale, ed è integra al suo interno la circuiteria di filtraggio, acquisizione e digitalizzazione.