ASCANIO : Annular SDD configuration for advanced nano imaging and observation

As X-ray sources become more powerful, the fluorescence detector increasingly represents the bottleneck of X-ray microscopy systems. Indeed, achieving ever-higher spatial resolution, motivated by the need to capture the smallest details of chemical structures, necessitates extrapolating large amounts of information in the shortest possible time, making the speed of detector acquisition the limiting factor in such measurements. By maximizing information contained within the sample, the textural clues are contained within spatial scales from a few cm down to the focused X-ray beam size of ∼ 1μm. X-ray fluorescence microscopy (XFM) is ideal for this type of analysis as it can detect and image a sub-micron particle at depth within a sample, being able to capture detail over five orders of magnitude of spatial scale. To appreciate such structural details, XFM demands therefore the ability to produce images of ∼ 10^8 pixels in prac- tical time-scales, such as 3–10 hours (e.g. 0.1 to 0.4 ms of measurement times per pixel). Scanning at this pixel rate demands an approach that eliminates read-out overheads, thus to obtain adequate counting statistics it is required total detector count-rates of ∼ 10M cps. This presents a challenge on the design of the X-ray spectrometer. To address these requirements Politecnico di Milano has recently developed the ARDESIA-16 that is a 16-channels SDD-based detector used in X-ray fluorescence experiments and XFM imaging providing an overall solid angle of 0.4sr and an Output Count Rate up to 17M cps. Starting from the ARDESIA spectrometer and supported by Deutsches Elektronen- Synchrotron (DESY), Politecnico di Milano is now working on for the developement of ASCANIO: an innovative 16-channels SDD based spectrometer ith backscattering geometry and tilted detectors specifically designed for X-ray fluorescence microscopy imaging in synchrotron beam- lines. The backscattering geometry, already introduced by the MAIA detector, that let the X-ray beam to pass through the instrument lo- cated upstream of the sample, allows to obtain a large solid-angle without imposing severe restrictions on sample size or the scale of scanning. In combination with the tilted SDD layout, that allows a more uniform fluo- rescence light distribution among pixels, ASCANIO is designed to achieve 1sr solid angle at 8mm sample distance and a potential Output Count Rate higher than 20M cps, preserving a good energy resolution (better than 150eV at short peking times ∼ 100ns) thanks to a dedicated cooling system and a low noise front-end electronics. Chapter 1 concerns the ASCANIO project background: basic concepts of X-ray sources, X-ray interaction with matter and absorption in materials will be introduced. A description of the main X-ray spectroscopy techniques is given, focusing of: X-ray Fluorescence (XRF) spectrocopy, X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) and X-ray Fluorescence Mi- croscopy (XFM). Chapter 2 describes the preliminary mechanical design of ASCANIO, focusing on the internal of the detection module which is the key feature of the instrument. An in depth study of the solid angle optimization and the maximization of the output count rate is presented. Chapter 3 gives an in depth description of the ASCANIO detection modules, presenting the front end readout circuit for charge signal acquisition (CUBE) and the guidelines followed for the PCB design. The detector technology, equipped to the modules, based on monolithic Silicon Drift Detectors (SDDs) is also described. At the end of the chapter data about the characterization of two SDD modules is given. Chapter 4 refers to the thermal simulations of the detection modules. The first part is related to the thermodynamic theory which is behind the thermal management of ASCANIO, while the second part is focused on the mechanical arrangement of the detection modules, the choice of the thermoelectric cooler (TEC) and the simulations results. Chapter 5 is focused on the two external units for power supply generation (TESLA) and thermal management (KRAKATOA), which have been designed for the ARDESIA spectrometer and partially redesigned during this master thesis, reducing both their area occupation and the number of component used.

Man mano che le sorgenti di raggi X diventano più potenti, il rivelatore di fluorescenza rappresenta sempre più il collo di bottiglia dei sistemi di microscopia a raggi X. L’ottenimento di una risoluzione spaziale sempre più elevata, motivata dalla necessità di catturare i più piccoli dettagli delle strutture chimiche, necessita infatti di estrapolare grandi quantità di informazioni in tempi il più brevi possibile, rendendo la velocità di acquisizione del rilevatore il fattore limitante in tali misurazioni. Massimizzando infatti le informazioni estrapolate dall’analisi del campione, si osserva che i suoi indizi strutturali sono contenuti in scale spaziali che variano da pochi cm fino alla dimensione del fascio a raggi X focalizzato di ∼ 1μm. La microscopia a fluorescenza di raggi X (XFM) è ideale per questo tipo di analisi, in quanto è in grado di rilevare e visualizzare una particella submicronica posta in profondità all’interno di una campione e di apprezzarne i dettagli su una scala spaziale di oltre cinque ordini di grandezza. Per effetture tali misurazioni, tuttavia, la tecnica XFM richiede la capacità di produrre immagini di ∼ 108 pixel in tempi non eccessivamente lunghi, come ad esempio 3-10 ore (supponendo tempi medi di misura per singolo pixel tra 0,1 a 0,4 ms). La scansione a queste velocità richiede quindi un approccio che riduca di molto le limitazioni sulla rapidità di acquisizione delle informazioni: infatti per ottenere statistiche di conteggio adeguate sono necessarie velocità di acquisizione di circa 10M cps. Catturare quindi le informazioni su scale spaziali così elevate rappresenta una sfida nella progettazione della strumentazione di misura. Per rispondere a queste esigenze il Politecnico di Milano ha recentemente sviluppato ARDESIA-16, uno spettrometro a 16 canali basato su un sistema di rivelazione ad SDD in grado di fornire un angolo solido complessivo di 0, 4sr e una velocità di conteggio in uscita fino a 17M cps. ARDESIA è stato progettato per essere impiegato in esperimenti di fluore- scenza a raggi X e per l’imaging tramite XFM. Partendo da questo progetto, in collaborazione con il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), il Politecnico di Milano sta ora lavorando allo sviluppo di ASCANIO: un in- novativo spettrometro a 16 canali dotato di geometria di backscattering e rilevatori SDD inclinati, progettato specificamente per l’imaging di microscopia a fluorescenza a raggi X effettuata nelle beamlines dei sincrotroni. La geometria di backscattering, già introdotta dal rivelatore MAIA, che permette al fascio di raggi X di attraversare lo strumento situato a valle del campione, consente di ottenere un ampio angolo solido senza imporre severe restrizioni alla posizione del campione. In combinazione con la disposizione inclinata degli SDD, che permette una distribuzione più uniforme della luce di fluorescenza tra i pixel dei rilevatori, ASCANIO è in grado di ottenere un angolo solido di 1sr a 8mm di distanza dal campione e un potenziale Output Count Rate superiore a 20M cps, conservando una buona risoluzione energetica (inferiore ai 200eV per short peaking times ∼ 100ns) grazie a un sistema di raffreddamento dedicato e a un’elettronica di front-end a basso rumore. Il capitolo 1 riguarda il background del progetto ASCANIO, dove vengono introdotti i concetti di base delle sorgenti di raggi X, dell’interazione della radiazione con la materia e dell’assorbimento nei materiali. Viene fornita una descrizione delle principali tecniche di spettroscopia a raggi X, con particolare attenzione a: X-ray Fluorescence (XRF) spectrocopy, X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) and X-ray Fluorescence Microscopy (XFM). Il capitolo 2 descrive la progettazione meccanica preliminare di ASCANIO, concentrandosi sui moduli di rilevazione inclinati, che rappresentano la caratteristica principale dello strumento. Viene presentato infi- ne uno studio approfondito dell’ottimizzazione dell’angolo solido per la massimizzazione dell’output count rate. Il capitolo 3 fornisce una descrizione approfondita dei moduli di rilevazione di ASCANIO, presentandone il circuito per il readout (CUBE) che si occupa dell’acquisizione della carica mobile proveniente dai rilevatori, e le linee guida seguite per la progettazione della PCB. Viene inoltre descritta la tecnologia di rilevazione equipaggiata ai moduli, la quale è basata su rivelatori monolitici in silicio (SDD). Alla fine del capitolo vengono forniti infine i dati relativi alla caratterizzazione di due moduli di rilevazione. Il capitolo 4 riguarda le simulazioni termiche dei moduli di rivelazione. La prima parte è relativa alla teoria termodinamica che sta alla base della gestione termica di ASCANIO, mentre la seconda parte è incentrata sulla disposizione meccanica dei moduli di rivelazione, sulla scelta del dispositivo termoelettrico per il raffreddamento e sui risultati delle simulazioni. Il capitolo 5 capitolo è incentrato sulle due unità esterne per la generazione delle alimentazioni (TESLA) e la gestione termica (KRAKATOA), progettate durante lo sviluppo di ARDESIA e parzialmente ridisegnate nel corso di questa tesi di laurea magistrale, riducendone sia l’area occupata che il numero di componenti utilizzati.