Scarlet Project : development of a DAQ system for the characterization of an SDD array coupled to the Scarlet readout Asic in wedge and bump bonded fashion

The objective of this thesis is to describe the SCARLET ASIC's development as well as that of the related DAQ system. A novel multichannel X-ray detector based on pixelated Silicon Drift Detector (SDD), bump-bonded with readout ASIC, and entire processing circuits integrated in a single pixel is what the SCARLET project, which was born from the previous TERA project, wants to create. The improvements covered in this elaborate were produced as a result of testing and studying the second ASIC prototype, the V1, exposing its bugs and limitations and offering a solution to improve the system's performance in terms of output spectral energy resolution and robustness. The work covers also the testing of the first prototype of bump-bonded hybrid detection module as described above. The DAQ system has been modified and new functionalities added in order to collect additional data, decrease the time to acquire them, and improve the quality of the testing. This has improved the testing capability of the current setup. The addition of a static ADC characterization and a new automated technique to assist in the debugging of the new hybrid pixel are the two main examples of such modifications and their working mechanics will be discussed in detail. The thesis is organized as follow: Chapter 1 provides an introduction to radiation detection, Silicon Drift Detector and a brief description of detector pulse processing methods, focusing on energy resolution related issues. Chapter 2 describes the SCARLET project, the internal structure of the ASIC and exposes the improvement of the V1 prototype with respect the the first one, the V0. It also opens to the improvement proposed for the future prototype, the V2, in terms of robustness of the system. Chapter 3 introduces the DAQ system, both in terms of hardware, firmware and graphical user interface (GUI). In the firmware section the ADC static characterization development is described in detail, while when discussing the GUI, the automated testing procedure is presented. Chapter 4 presents the result of the spectral acquisition performed with the new hybrid pixel and the first results of the ADC static characterization. Conclusions are then made with ideas for future work.

L'obiettivo del seguente elaborato è quello di presentare e descrivere gli sviluppi del progetto SCARLET, del ASIC oggetto del progetto e del relativo sistema DAQ. Il progetto SCARLET ha come obiettivo la creazione di un rivatore di raggi X basato su un Silicon Drift Detector (SDD) pixelato, il quale è connesso per mezzo della tecnologia del bump-bonding ad un ASIC per la lettura e l'elaborazione degli impulsi elettrici. Tale ASIC discende dal precedente progetto TERA. Gli sviluppi esposti in questo elaborato sono il frutto dei risultati dello studio e dei test effettuati sul secondo prototipo del ASIC, il V1. Il seguente lavoro presenta gli errori e le debolezze emersi e propone soluzioni al fine di migliorare sia la risoluzione degli spettri prodotti e la robustezza del sistema in sé, coprendo anche il nuovo sistema adottato per effettuare le misure sul nuovo pixel ibrido costruito per mezzo della tecnologia di bump-bonding. Il sistema DAq è stato modificato e nuove funzionalità sono state aggiunte allo scopo di acquisire nuovi dati, di ridurre le tempistiche di acquisizione degli stessi e di migliorarne la qualità. Tali modifiche hanno ampliato la capacità del sistema DAQ attuale, andando ad aggiungere una procedura per la caratterizzazione statica del ADC interno al ASIC e una procedura automatizzara di test allo scopo di assistere nelle misurazioni sul nuovo pixel ibrido. La costruzione e il funzionamento di questi nuovi strumenti sarà discusso nel dettaglio all'interno dell'elaborato. La tesi è organizzata come segue: Il capitolo 1 fornisce un'introduzione alla rilevazione delle radiazioni, ai Silicon Drift Detector ed una breve descrizione dei metodi per il processamento degli impulsi, focalizzato sulla risoluzione energetica ed ai problemi relativi a quest'ultima. Il capitolo 2 descrive il progetto SCARLET, la struttura interna del ASIC ed espone gli sviluppi del prototipo V1 rispetto al precedente, il V0. Inoltre, presenta le modifiche proposte per un futuro nuovo prototipo, il V2, a migliorare la robustezza del sistema. Nel capitolo 3 viene introdotto il sistema DAQ sul piano dell'hardware, del firmware e dell'interfaccia grafica (GUI). Nella sezione dedicata al firmware è descritto nel dettaglio lo sviluppo della caratterizzazione statica del ADC e in quella dedicata alla GUI viene presentata la procedura di test automatica. Il capitolo 4 infine presenta i risultati delle misure effettuate con il nuovo pixel ibrido creato con tecnologia bump-bonding ed i primi risultati della caratterizzazione statica del ADC. A terminare, le conclusioni assieme a delle idee per il futuro sviluppo del progetto.