Qualification of the ultimate FARCOS front-end circuit and of the physical properties of SiC diode for a novel smart detection system

To detect the nuclear dynamics generated by colliding particles and study their correlation in space and in time, it is necessary to adopt highly precise detectors systems capable of disclosing the physical properties produced by the interaction, in particular the momentum and their energy. The Femtoscope ARray for COrrelation and Spectroscopy (FARCOS) is a new modular detection system able to measure this kind of interactions in different experimental contexts, using the ∆E - E. The design of the FARCOS module is the result of a multi-year international collaboration that guided and supervised its development [21], culminating in 2020 with the set-up of the first prototype composed of 10 telescopes [7]. The latest phase of FARCOS realization involves the use of 20 telescopes. Each telescope is composed of a 3-stage detector, based on Double Sided Silicon Strip Detectors (DSSSD)detectors and CsI (TI) scintillators with high angular and energy resolution, for a total of 2560 channels coming from silicon in microstrips detectors, and 80 channels coming from scintillators coupled to photodiodes. In this thesis work, performed from March 2021 to December 2021, at the Imaging Detectors and Low Noise Electronics Laboratory of the Department of Electronics, Information and Bioengineering of Politecnico di Milano, we provide details of the qualification procedure carried out on the latest upgrade of the FARCOS front-end circuit, also known as motherboard 2.0. Such a process is fundamental to ensure consistent and repeatable level of performances in future experiments, and guarantee that the equipment operates within the required specifications. The FARCOS system, coupled with the CHIMERA multi-detector [20], will be used as a detector of energy from high intensity Ion Beams (RIBs) generated by the new In-flight Separator (FraISe) [18] at the Southern National Laboratory (INFN-LSN). In the context of this project, a new smart detection system for tagging and diagnosis, based on silicon carbide (SiC) diode arrays, is currently under study to keep pace with the upgrades made on the accelerator. Therefore, the second part of this thesis focuses on the evaluation of the physical properties of the silicon carbide (SiC) diode to employ as tagging and diagnosis detector for Radiation Ion Beams in nuclear physics experiments, and the qualification steps performed on an initial test sample.

Per rivelare le dinamiche nucleari generate da particelle in collisione e studiare la loro correlazione nello spazio e nel tempo, è necessario adottare sistemi di rivelazione molto precisi capaci di analizzare le proprietà fisiche prodotto dell’interazione, in particolare la quantità di moto e la loro energia. Il Femtoscope ARray for COrrelation and Spectroscopy (FARCOS) è un nuovo sistema di rivelazione modulare in grado di misurare questo tipo di interazioni in diversi contesti sperimentali, utilizzando ∆E - E. Il design del modulo FARCOS è il risultato di una collaborazione internazionale pluriennale che ha guidato e supervisionato il suo sviluppo [21], culminato nel 2020 con l’allestimento del primo prototipo composto da 10telescopi [7]. L’ultima fase di realizzazione di FARCOS prevede l’utilizzo di 20 telescopi. Ogni telescopio è composto da 3 stadi di rivelazione basato su rivelatori Double-Sided Silicon Strip (DSSSD) e scintillatori CsI (TI) con un’alta risoluzione angolare ed energetica per un totale di 2560 canali provenienti da rivelatori al silicio di tipo microstrips, e 80 canali provenienti da scintillatori accoppiati a fotodiodi. In questo lavoro di tesi, svolto da Marzo2021 a Dicembre 2021 presso il Laboratorio Rivelatori di Immagini ed Elettronica a Basso Rumore del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, si forniscono i dettagli della procedura di qualifica effettuata sull’ultimo upgrade del circuito front-end FARCOS, noto come motherboard 2.0. Tale processo è fondamentale per assicurare una ripetibilità di prestazioni in esperimenti futuri, e garantire che l’attrezzatura operi entro le specifiche richieste. Il sistema FARCOS, accoppiato con il multi-rivelatore CHIMERA [20], verrà impiegato anche come rivelatore di energia proveniente da Fasci Ionici (RIBs) ad alta intensità generati dal nuovo In-flight Separator (FraISe) [18] presso il Laboratorio Nazionale del Sud (INFN-LSN). Nel contesto di questo progetto, un nuovo sistema di rivelazione intelligente per il tagging e la diagnosi, basato su array di diodi in carburo di silicio (SiC), è attualmente in fase di studio per essere al passo con gli aggiornamenti fatti sull’acceleratore. Pertanto, la seconda parte di questa tesi si concentra sulla valutazione delle proprietà fisiche del diodo in carburo di silicio (SiC) per l'impiego come rivelatore di tagging e diagnostica per fasci radioattivi in esperimenti di fisica nucleare, e le fasi di qualifica effettuate su un primo campione di test.