Development of a Large-matrix SDD-based Radiation Detector for Beta-decay Spectroscopy in Neutrino Physics

Several theories outside the Standard Model (SM) propose the existence of new kinds of neutrinos, called sterile neutrinos, that would interact only via gravitational forces. If their mass were in the keV range, they would be promising dark matter candidates, answering a series of unresolved questions in astroparticle physics and cosmology. The TRISTAN project aims at searching for a sterile neutrino signature by measuring with unprecedented accuracy the whole tritium beta-decay spectrum. To achieve this, the current KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) apparatus will be extended with a new multi-pixel Silicon Drift Detector (SDD) system. In this context, the present thesis focuses on the design, development and characterisation of a monolithic 166-pixel SDD-based detection module for the TRISTAN project. Since the SDD technology is usually widely adopted in X-ray spectroscopy applications, its employment in detecting electrons must be validated. Moreover, in the development and tuning of such a large detector, several challenges have to be addressed. The 166-pixel SDD matrix is the building block for the final detection system of the TRISTAN project, which will comprise twenty-one identical matrices, constituting an array with a total of 3486 cells. The novel multipixel SDD array should be able to handle an event rate up to ∼10e8 electrons per second, 100 kHz per channel, and offer an excellent energy resolution of 300 eV FWHM at 20 keV. In addition, the detector and its readout electronics must comply with stringent requirements for their operation in high vacuum and strong magnetic field (∼1 T) conditions for an extended period (three years). To tackle the complexity of the 166-pixel module its design process has been addressed adopting a multi-step approach. Firstly, the validity of the SDD technology in electron detection applications has been experimentally assessed with a single-pixel device mounted in an electron scanning microscope (SEM). Secondly, the development of the multi-pixel TRISTAN prototypes has been subdivided into three milestones, with an increasing number of cells: 12, 47, and 166 pixels.

Numerose teorie propongono l’esistenza di nuovi tipi di neutrini, chiamati neutrini sterili, oltre il Modello Standard. Essi interagirebbero solo attraverso forze gravitazionali. Se la loro massa fosse nell’ordine dei keV, sarebbero dei candidati promettenti per costituire la materia oscura, dando finalmente delle risposte ad una serie di quesiti nel campo dell’astrofisica e della cosmologia. Il progetto TRISTAN punta alla ricerca del neutrino sterile attraverso la misura, con un’accuratezza senza precedenti, dell’intero spettro di decadimento beta del trizio. Per fare ciò, l’attuale apparato dell’esperimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) sarà esteso con un nuovo sistema di rivelazione a molti pixels basato su SDD (Silicon Drift Detector). In questo contesto, la tesi si concentra sulla progettazione, sviluppo e caratterizzazione di un modulo di rivelazione basato su una matrice monolitica di SDD con 166 pixels. Siccome la tecnologia SDD è usata nel campo delle applicazioni con raggi X, la sua adozione per rivelare elettroni è da validare. Inoltre, nello sviluppo e messa a punto di un rivelatore così grande ci sono molte sfide da affrontare. Il modulo a 166 pixels è il blocco di partenza per realizzare il rivelatore finale di TRISTAN che comprenderà ventuno moduli identici per un totale di 3486 celle. L’innovativo rivelatore basato su SDD dovrà sostenere un elevato numero di elettroni (∼10e8 al secondo), circa 100 kHz per canale, ed offrire un’eccellente risoluzione energetica di 300 eV FWHM a 20 keV. Inoltre, il rivelatore e l’elettronica di lettura devono rispettare stringenti requisiti riguardanti il funzionamento in alto vuoto ed in presenza di forti campi magnetici (∼1 T) per un esteso periodo di tempo (tre anni di misura). Per affrontare la complessità della realizzazione del modulo con 166 pixels la sua progettazione è stata suddivisa in diversi passi. Innanzitutto, è stata dimostrata sperimentalmente l’adeguatezza della tecnologia SDD per la rivelazione di elettroni utilizzando un modulo a singolo pixel installato in un microscopio elettronico a scansione (SEM). Successivamente, lo sviluppo di prototipi TRISTAN a più pixels è stato suddiviso in tre pietre miliari con un numero via a via crescente di canali: 12, 47 e 166.