LUIGI: a low-noise and low background ASIC for the readout of germanium detectors

The search for neutrinoless double beta (0νββ) decay stands at the forefront of modern particle physics, offering insights into the nature of neutrinos and the matter-antimatter asymmetry of the universe. The LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay) collaboration aims to probe 0νββ decay in the isotope 76Ge by means of High-Purity Germanium (HPGe) detectors operated in Liquid Argon (LAr) and with unprecedented sensitivity, targeting half-lives beyond 1028 years. This ambitious goal requires significant advancements in detector technology and readout electronics. This thesis presents the design and characterization of LUIGI (LEGEND Ultra-low background Integrated circuit for Germanium detectors Investigations), a novel application-specific integrated circuit (ASIC) developed to meet the stringent requirements of the LEGEND-1000 experiment. The LUIGI ASIC addresses key challenges in 0νββ decay searches, including low noise performance, wide dynamic range, and operation in LAr at 86 K without external filter components that could introduce radioactive background. Two variants of the LUIGI ASIC were developed and tested: the LUIGI-RF (Feedback Resistor) works with a large value external feedback resistor while the LUIGIIR (Internal Reset) features an integrated reset mechanism which includes a dedicated compensation network and a large-value feedback resistor implemented through an ICON cell. Both incorporate on-chip voltage regulators (LDO) and bandgap references, eliminating the need for external filtering capacitors and thus minimizing potential sources of background contamination. The ASIC was designed using a 0.35 μm CMOS technology and optimized for detectors with capacitances ranging from 1 to 10 pF. Measurements in liquid nitrogen (LN2) at 77 K show a good Power Supply Rejection Ratio (PSRR). Waveforms measured at the Line Driver (LD) output exhibit rise times below 20 ns. Very good linearity was also achieved for both amplitude and decay time constants with deviations below 0.005% over the energy range of interest. For a shaping time of 6.6 μs, an energy resolution at the noise peak of 496 eV FWHM is measured. When tested with a broad energy germanium (BEGE) detector, the LUIGI ASIC achieved an energy resolution of 2.49±0.03 keV FWHM at the region of interest for 0νββ decay (2039 keV). These results indicate that the LUIGI ASIC meets the performance requirements for the LEGEND-1000 experiment, representing a significant advancement in readout electronics for rare event searches in particle physics.

La ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini (0νββ) rappresenta l’avanguardia della fisica delle particelle moderna, offrendo spunti sulla natura dei neutrini e sull’asimmetria materia-antimateria dell’universo. La collaborazione LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay) mira a sondare il decadimento 0νββ nell’isotopo 76Ge mediante rivelatori al germanio ad alta purezza (HPGe) immersi in argon liquido (LAr) e con una sensibilità senza precedenti, puntando a tempi di dimezzamento oltre 1028 anni. Questo obiettivo ambizioso richiede significativi progressi nella tecnologia dei rivelatori e nell’elettronica di lettura. Questa tesi presenta la progettazione e la caratterizzazione di LUIGI (LEGEND Ultra-low background Integrated circuit for Germanium detectors Investigations), un nuovo circuito integrato per applicazioni specifiche (ASIC) sviluppato per soddisfare i rigorosi requisiti dell’esperimento LEGEND- 1000. L’ASIC LUIGI affronta le sfide chiave nella ricerca del decadimento 0νββ, tra cui prestazioni a basso rumore, ampia gamma dinamica e funzionamento in LAr a 86 K senza componenti di filtraggio esterni che potrebbero introdurre contaminazioni radioattive. Sono state sviluppate e testate due varianti dell’ASIC LUIGI: il LUIGI-RF (Feedback Resistor) funziona con un resistore di feedback esterno ad alto valore mentre il LUIGIIR (Internal Reset) presenta un meccanismo di reset integrato che include una rete di compensazione dedicata e un resistore di feedback ad alto valore implementato attraverso una cella ICON. Entrambe le versioni incorporano regolatori di tensione on-chip (LDO) e riferimenti di bandgap, eliminando la necessità di condensatori di filtraggio esterni e minimizzando così le potenziali fonti di contaminazione di fondo. L’ASIC è stato progettato utilizzando una tecnologia CMOS da 0, 35, μm e ottimizzato per rivelatori con capacità comprese tra 1 e 10 pF. Le misurazioni in azoto liquido (LN2) a 77 K mostrano un buon rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR). Le forme d’onda misurate all’uscita del Line Driver (LD) mostrano tempi di salita inferiori a 20 ns. Si è ottenuta anche una linearità molto buona sia per l’ampiezza che per le costanti di tempo di decadimento con deviazioni inferiori allo 0,005% sull’intera gamma energetica di interesse. Per un tempo di formazione di 6,6 μs, è stata misurata una risoluzione energetica al picco di rumore di 496 eV FWHM. Quando testato con un rivelatore al germanio ad ampia energia (BEGE), l’ASIC LUIGI ha raggiunto una risoluzione energetica di 2, 49 ± 0, 03, keV FWHM nella regione di interesse per il decadimento 0νββ (2039 keV). Questi risultati indicano che l’ASIC LUIGI soddisfa i requisiti di prestazione per l’esperimento LEGEND-1000, rappresentando un significativo avanzamento nell’elettronica di lettura per la ricerca di eventi rari nella fisica delle particelle.