Design of a testing system for a 83-channel SDD front-end board

Sterile neutrinos are a minimal extension of the standard model of particle physics. A promising model-independent way to search for sterile neutrinos is via high-precision beta-spectroscopy . The Tritium Laboratory Karlsruhe (TLK) provides an intense 10^(11) Bq gaseous tritium source. To handle exceedingly high rate and to maintain excellent spectroscopic properties at the same time, an energy resolution of 300 eV FWHM at 20 keV with a multi-pixel silicon drift detector (SDD) and a readout system are currently being developed in the TRISTAN project. The single acquisition system module is made of two boards hosting the ASICs with the charge sensitive amplifiers (CSA) and with a total of 83 CSA channels per board. Then biasing and Data AcQuisition system (DAQ) are used respectively to bias the detector and to filter and collect the events signal coming from the SDD. Such a system will be finally implemented in 21 modules that require 1 year of measurement reliability. The testing board developed in this thesis allows to check the functioning property of the ASIC board in the acquisition system that, because of its high density of channel and wire bonding, has a significant probability to have manufacturing problems that are visible only through board testing. This allows to save a lot of time during the verification of the correct behaviour of all the acquisition systems before the mounting of all the 21 modules.

Il neutrino sterile caratterizza una estensione del modello standard nella fisica delle particelle. Una ricerca del neutrino sterile, che non sfrutta modelli, utilizza la spettroscopia ad alta precisione del decadimento beta. Il laboratorio TLK a Karlsruhe può fornire un'intensa sorgente gassosa di trizio che produce 10^(11) Bq. Per poter gestire flussi incredibilmente alti ed allo stesso tempo mantenere eccellenti proprietà spettroscopiche, per il progetto Tristan, è stato necessario implementare dei rivelatori (SDD) con una risoluzione di 300eV(FWHM)@20KeV ed un sistema di acquisizione per il segnale che viene prodotto dopo ogni evento. Un singolo modulo del sistema di acquisizione è composto da una scheda che contiene gli ASIC con gli amplificatori di carica (CSA) per gli SDD (83 canali disponibili). Inoltre sono presenti un sistema di polarizzazione del rivelatore ed un altro per l'elaborazione del segnale generato dopo un evento (elettrone colpisce il rivelatore). Nel progetto finale il singolo modulo verrà implementato in una matrice di 21 moduli che richiederà una affidabilità di funzionamento che possa durare per almeno l'anno di utilizzo del sistema. La scheda di test, sviluppata nell'ambito di questa tesi, permette di verificare il corretto funzionamento della scheda che ospita gli ASIC. A causa dell'alta densità di linee e connessioni con fili volanti, per gli 83 canali degli ASIC c'è un'alta probabilità che sia presente qualche errore di produzione, identificabile solo con il test della scheda. Prima che l'intero modulo venga assemblato, tutti i componenti devono essere testati e la scheda di test permetterebbe di risparmiare molto tempo.