Design of ASCANIO: a high count-rate x-ray spectrometer with backscattering geometry

Nowadays, fluorescence spectroscopy is widely employed in various applications and disciplines, including medicine, biology, art, materials science, astronomy and physics. Over the years, this has stimulated a significant development of X-ray sources capable of emitting increasingly intense and focused beams of light. Capturing the smallest details of chemical structures requires extracting large amounts of information in the shortest possible time. Consequently, the detector acquisition speed has quickly become the limiting factor in such acquisitions, highlighting the growing need for radiation detectors capable of providing excellent performance in terms of energy resolution, as well as counting capability, in order to accompany these technological advancements. In particular, X-ray fluorescence microscopy (XFM) enables the detection and visualization of sub-micron particles within a sample, allowing the appreciation of details on a spatial scale ranging from a few centimeters to the size of the focused X-ray beam, which can be as small as hundreds of nm. However, to perform such measurements, the XFM technique requires the ability to acquire images with approximately 10^8 pixels in relatively short times, on the order of a few hours. To achieve such scanning speeds, adequate counting statistics need to be obtained and acquisition rates of around 10Mcps are required. In this context, the ASCANIO project (Annular SDD Configuration for Advanced Nano Imaging and Observation) comes into play. It is a 16-channel spectrometer operating in backscattering geometry and utilizing tilted Silicon Drift Detectors. ASCANIO, designed in collaboration with the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), has been specifically designed for X-ray fluorescence experiments and XFM imaging in synchrotron beamlines. It is based on the backscattering geometry, previously introduced by the MAIA detector, which allows the X-ray beam to pass through the instrument positioned downstream of the sample. Combined with the tilted SDD detectors, which enable uniform distribution of the fluorescence light among the detector pixels, ASCANIO is capable of achieving a solid angle of 1 sr at a distance of 8mm from the sample. Moreover, it offers a potential Output Count Rate (OCR) exceeding 20Mcps while maintaining good energy resolution (below 200 eV for short peak times of approximately 32 ns). This is made possible by a dedicated cooling system and low-noise front-end electronics. The thesis is organized as follows: • Chapter 1: an introduction to the ASCANIO project background is provided by covering the fundamental concepts of X-ray sources, X-ray interaction with matter, absorption in materials and the main X-ray spectroscopy techniques. Finally the signal processing chain adopted in many spectrometer is briefly analyzed; • Chapter 2: the working principle of the spectrometer ASCANIO is presented, along with an overview on its state of art and on its expected results and applications. Then, a study of the optimization of the solid angle through the analysis of the tilting angle is presented, followed by a detailed examination of the cooling system. The chapter concludes by directing the attention toward the detectors adopted in the ASCANIO system, i.e the Silicon Drift Detectors; • Chapter 3: this chapter focuses on analysing the Printed Circuit Boards developed during this thesis. A revised version of the Setup board, adopted for SDD characterization purposes and for utilization in the laboratories of Politecnico di Milano, is presented, highlighting its main advantages over the previous one and describing each electronic block featured, emphasizing their functionality and contribution to the overall design. Next, the Instrument counterpart is treated, highlighting in what it differs from the setup version. Lastly, the discussion focuses on the design of two versions of interconnection boards: flexible PCBs specifically designed to connect the Setup or Instrument board to the Module PCB; • Chapter 4: the mechanics of instrument is illustrated. The iterative process and reasoning that have led to the final version are shown, along with the trade offs encountered during the design process. Moreover, the choices done to achieve a good vacuum sealing will be illustrated; • Chapter 5: the last chapter provides a summary of the main contributions brought in ASCANIO project during this master thesis and then potential future developments and enhancements succeeding the present work are illustrated.

Al giorno d’oggi, la spettroscopia di fluorescenza viene ampiamente impiegata in svariate applicazioni e discipline, tra cui la medicina, la biologia, l’arte, la scienza dei materiali, l’astronomia e la fisica. Nel corso degli anni, ciò ha stimolato un notevole sviluppo delle sorgenti di raggi X, in grado di emettere fasci luminosi sempre più intensi e focalizzati. L’estrapolazione dei più piccoli dettagli delle strutture chimiche necessita di ricavare grandi quantità di informazioni in tempi il più brevi possibile. Di conseguenza la velocità di acquisizione del rivelatore è diventato ben presto il fattore limitante in tali acquisizioni e si è, dunque, resa sempre più evidente la necessità di adottare rivelatori di radiazione in grado di fornire prestazioni eccellenti, sia in termini di risoluzione energetica, che di capacità di conteggio, al fine di affiancare tali avanzamenti tecnologici. In particolare, la microscopia a fluorescenza di raggi X (XFM) permette di rivelare e visualizzare particelle sub-microniche all’interno di un campione, permettendo di apprezzarne i dettagli su una scala spaziale che si estende da pochi centimetri fino alla dimensione del fascio di raggi X focalizzato, che può raggiungere persino le centinaia di nm. Tuttavia, per effettuare tali misurazioni, la tecnica XFM richiede la capacità di acquisire immagini con circa 10^8 pixel in tempi relativamente brevi, nell’ordine di qualche ora. Per raggiungere tali velocità di scansione, è necessario ottenere statistiche di conteggio adeguate e sono richieste velocità di acquisizione di circa 10Mcps. In questo contesto si inserisce il progetto ASCANIO (Annular SDD Configuration for Advanced Nano Imaging and Observation), uno spettrometro a 16 canali che opera in geometria di backscattering e utilizza Silicon Drift Detectors inclinati. ASCANIO, progettato in collaborazione con il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), è stato specificamente progettato per esperimenti di fluorescenza a raggi X e imaging tramite XFM nelle beamline dei sincrotroni. Esso si basa sulla geometria di backscattering, precedentemente introdotta dal rivelatore MAIA e che permette al fascio di raggi X di attraversare lo strumento posizionato a valle del campione. In combinazione con i rivelatori SDD inclinati, che consentono una distribuzione uniforme della luce di fluorescenza tra i pixel dei rivelatori, ASCANIO è in grado di raggiungere un angolo solido di 1 sr a una distanza di 8 mm dal campione. Inoltre, offre un potenziale Output Count Rate (OCR) superiore a 20 Mcps, mantenendo una buona risoluzione energetica (inferiore a 200 eV per brevi peaking time di circa 32 ns). Questo è possibile grazie a un sistema di raffreddamento dedicato e a un’elettronica di front-end a basso rumore. La tesi è organizzata come segue: • Capitolo 1: viene prima fornita un’introduzione al background del progetto ASCANIO, trattando i concetti fondamentali delle sorgenti di raggi X, dell’interazione dei raggi X con la materia, dell’assorbimento nei materiali e delle principali tecniche di spettroscopia a raggi X. Successivamente, viene brevemente analizzata la catena di elaborazione del segnale adottata in molti spettrometri; • Capitolo 2: viene presentato il principio di funzionamento dello spettrometro ASCANIO, insieme ad una panoramica del suo stato dell’arte, dei risultati attesi e delle applicazioni previste. Successivamente, viene fornito uno studio sull’ottimizzazione dell’angolo solido attraverso l’analisi dell’angolo con cui sono inclinati gli SDD, seguito da un esame dettagliato del sistema di raffreddamento. Il capitolo si conclude focalizzando l’attenzione sui rivelatori adottati nel sistema ASCANIO, ovvero i rivelatori a deriva di silicio (Silicon Drift Detectors); • Capitolo 3: questo capitolo si concentra sull’analisi delle PCB sviluppate durante questa tesi. Viene presentata una nuova versione della Setup board, adottata per scopi di caratterizzazione degli SDD e per l’utilizzo nei laboratori del Politecnico di Milano. Vengono evidenziati i principali vantaggi rispetto alla versione precedente e vengono descritti le singole sezioni presenti nello schematico, enfatizzando la loro funzionalità e contributo al design complessivo. Successivamente, si discute della controparte strumentale (Instrument board), evidenziando le differenze rispetto alla versione di Setup. Infine, la discussione si focalizza sul design di due circuiti stampati flessibili progettati specificamente per collegare la Setup board o la Instrument board alle Module PCB; • Capitolo 4: viene mostrata la meccanica dello strumento e il processo iterativo che ha condotto alla versione finale, insieme ai compromessi incontrati durante il processo di progettazione. Inoltre, vengono illustrate le scelte progettuali intraprese per ottenere una buona tenuta al vuoto; • Capitolo 5: fornisce un riassunto dei principali contributi apportati al progetto ASCANIO durante questa tesi e ne illustra i potenziali sviluppi futuri.