Development of 48 channel energy and timing acquisition platform for spectroscopy

Neutrinos are elementary particles with zero electric charge and a non-zero mass that only interact with gravitational and weak nuclear forces. Nowadays, the existence of another type of neutrino has been hypothesised but not experimentally confirmed. This is called sterile neutrino and seems to interact just via gravity and not through any other form of fundamental interactions currently described in the Standard Model. The presence of this new type of neutrino with an energy of the order of keV would manifest as a distortion (i.e kink) in the tritium continuous spectrum. Experiment as TRISTAN aims to study the full β-decay spectrum of the tritium with high precision in order to investigate and describe the kink-like distortion with the scope of defining the mass of the sterile neutrino. This thesis is part of the TRISTAN project and is dedicated to the development and design of a data acquisition platform named Kerberos TAC with the ability to acquire signals from a 47 pixel SDD detector and the respective arrival time of each detected event. In parallel to that the system will be also used in Bicocca University in order to study electron’s backscattering effects. The goal of this thesis is to characterize the timing performances of SFERA TAC ASICs together with the designed digital acquisition platform: Kerberos TAC. The thesis is organized as follows: • Chapter 1. Starting from a general introduction of neutrinos and their history, this chapter will later focus on the description of the actual experiments carried on about neutrino’s mass. KATRIN and TRISTAN are presented, from both theoretical and structural point of view. Then, the DAQ strategy for TRISTAN is outlined describing the main components involved in the acquisition chain. • Chapter 2. The first part is intended to briefly present the predecessor of SFERA TAC named SFERA. The chapter will later focus on the detailed description of the logic implemented in SFERA TAC starting from the energy path and then analysing the actual topology used to implement the TAC: START and STOP architecture. • Chapter 3. The third chapter aims to describe the hardware design of Kerberos TAC starting from the choice of the components such as ADCs and voltage regulators until the traces position in the PCB in order to have the best signals integrity. The chapter then focuses on the integration of the others hardware modules into the DAQ plaftorm such as: SFERA TAC ASICs and FPGA board. • Chapter 4. The fourth chapter focuses on the VHDL firmware description specifically implemented for the readout of 48 channels and the programming of SFERA TAC ASIC. Several entities that constitute Kerberos TAC’s firmware are individually explained and testbenches simulations are shown. In the last part, an updated GUI from the old Kerberos version and adapted to the new DAQ platform is presented. • Chapter 5. In the last chapter all the experimental results are shown. The chapter starts with a general characterization of the TAC’s performances obtained with a Waveform Generator. Then, the analysis are performed on a 47-pixel SDD with Iron-55 source in order to fully characterize Kerberos TAC platform and SFERA TAC ASICs. The measures are analyzed and a detailed description of the Charge Sharing events and successive spectrum’s improvement are shown.

I neutrini sono particelle elementari con carica elettricamente nulla e massa diversa da zero che interagiscono solo con le forze nucleare deboli e con la forza di gravità. Al giorno d’oggi, l’esistenza di un altro tipo di neutrino è stata ipotizzata ma non confermata sperimentalmente. Esso è chiamato neutrino sterile e sembra interagire solo con la gravità e non attraverso nessun’altra forma di interazione fondamentale attualmente descritta nel Modello Standard. La presenza di questo nuovo tipo di neutrino con energia dell’ordine di keV si manifesterebbe come una distorsione (i.e kink) nello spettro continuo del trizio. Esperimenti come TRISTAN, mirano a studiare l’intero spettro di β-decadimento del trizio con alta precisione al fine di indagare e descrivere la distorsione tipo kink con lo scopo di definire la massa del neutrino sterile. Questa tesi fa parte del progetto TRISTAN ed è dedicata allo sviluppo e alla progettazione di una piattaforma di acquisizione digitale chiamata Kerberos TAC con la capacità di acquisire segnali da un rilevatore SDD a 47 pixel e il corrispettivo tempo di arrivo di ogni evento rilevato. Parallelamente, il sistema verrà utilizzato anche presso l’Università Bicocca per studiare gli effetti di backscattering di elettroni. L’obiettivo di questa tesi è di caratterizzare le prestazioni temporali degli ASIC SFERA TAC insieme alla piattaforma di acquisizione digitale progettata: Kerberos TAC. La tesi è organizzata come segue: • Capitolo 1. Partendo da un’introduzione generale sui neutrini e sulla loro storia, questo capitolo si concentrerà in seguito sulla descrizione degli esperimenti condotti sulla massa dei neutrini. Vengono presentati KATRIN e TRISTAN, sia dal punto di vista teorico che strutturale. Quindi, viene delineata la strategia DAQ per TRISTAN descrivendo le principali componenti coinvolte nella catena di acquisizione. • Capitolo 2. La prima parte ha lo scopo di presentare brevemente il predecessore di SFERA TAC denominato SFERA. Il capitolo si concentrerà successivamente sulla descrizione dettagliata della logica implementata in SFERA TAC partendo dal percorso energetico e poi analizzando la topologia vera e propria utilizzata per implementare il TAC: architettura START e STOP. • Capitolo 3. Il terzo capitolo si propone di descrivere la progettazione hardware di Kerberos TAC partendo dalla scelta dei componenti come ADC e regolatori di tensione fino al posizionamento delle tracce all’interno della PCB in modo da avere la migliore integrità di segnale possibile. Il capitolo si concentra quindi sull’integrazione dei moduli hardware all’interno della piattaforma DAQ: SFERA TAC ASIC e scheda FPGA. • Capitolo 4. Il quarto capitolo è incentrato sulla descrizione del firmware VHDL specificatamente implementata per la lettura dei 48 canali e la programmazione di SFERA TAC ASIC. Diverse entità che costituiscono il firmware di Kerberos TAC verranno spiegate individualmente e verranno mostrati i risultati delle simulazioni. Nell’ultima parte viene presentata la GUI, aggiornata rispetto alla vecchia versione Kerberos e adattata alla nuova piattaforma DAQ. • Capitolo 5. Nell’ultimo capitolo vengono mostrati tutti i risultati sperimentali. Il capitolo inizia con una caratterizzazione generale delle prestazioni del TAC ottenute con un generatore di forme d’onda. Successivamente, le analisi vengono eseguite su un SDD a 47 pixel con sorgente Ferro-55 al fine di caratterizzare completamente la piattaforma Kerberos TAC e SFERA TAC ASIC. Le misure verranno poi analizzate e verrà mostrata una dettagliata descrizione degli eventi di Charge Sharing e del miglioramento dello spettro ottenuto riducendo il rumore di sottofondo.