Monolithic silicon drift detectors and readout electronics for X-ray spectroscopic measurements

The goal of this PhD thesis is to design, develop and characterize advanced Silicon Drift Detector (SDD) systems for X-ray spectroscopy applications across three distinct projects: COMPOL, SIDDHARTA-2, and LABXAS. The research focuses on addressing challenges in readout electronics, detector design, and system integration for both space-based and laboratory applications. The aim of the ComPol mission is to develop and launch a CubeSat satellite that carries an on-board Compton telescope into the low-earth orbit to study the radiation released by Cygnus X-1, a two-star system consisting of a black hole and a massive blue star. The Compton Telescope combines two detector systems: the first one is based on a SDD matrix that acts as scatterer and the second one on a cerium bromide (CeBr₃) scintillator crystal associated to a Silicon Photon Multiplier array for absorbing photons that have been scattered. This thesis focuses on the design, development and characterization only of the scatterer detection system. Long-term observations of Cygnus X-1 can provide valuable insights into its behavior and evolution over time. This gives a deeper understanding of its geometry, accretion disk properties, magnetic field structure and the underlying processes causing such emissions in the first place. The SIDDHARTA-2 project seeks to pioneer the observation of X-ray emissions from kaonic deuterium as it transitions to its lowest energy state. This groundbreaking research will examine how strong nuclear forces affect the energy level and spectral line breadth of these emissions. This study is performed at Laboratori Nazionali di Frascati, employing the DAΦNE facility. This advanced electron-positron collider enables the creation of exotic atoms containing kaons, which are crucial for the experiment. For this purpose, a novel 2×4 monolithic 1-mm-thick SDD array was designed, featuring eight 8×8 mm² active area cells and an additional electrode to reduce charge sharing between pixels. The thesis addresses the development of a new SDD carrier board for these 1-mm-thick detectors, improving upon previous 450-μm versions, coupled with Charge Sensitive Amplifiers built using CMOS technology. Additionally, it develops a novel SDD carrier board for a stacked-structure of two 1-mm-thick SDDs, aiming to further improve hard X-ray detection efficiency. The LABXAS project aims to develop a table-top X-ray Absorption Spectroscopy instrument for in-lab material analysis in a vacuum chamber. The thesis contributes to designing: 1) a new SDD carrier board for 450 μm thick detectors and CUBE preamplifiers, 2) a new SDD-CSA BIAS board, 3) adapter boards for vacuum chamber feed-through, and 4) the mechanical parts of the detection module, all meeting the strict spectrometer requirements. This setup aims to provide high-resolution spectroscopy capabilities in a compact, laboratory-based instrument, potentially expanding access to XAS techniques beyond large-scale facilities.

L'obiettivo di questa tesi di dottorato è progettare, sviluppare e caratterizzare sistemi avanzati di rivelatori a deriva al silicio (Silicon Drift Detector, SDD) per applicazioni di spettroscopia a raggi X in tre distinti progetti: COMPOL, SIDDHARTA-2 e LABXAS. La ricerca si concentra sull'affrontare le sfide relative all'elettronica di lettura, alla progettazione dei rivelatori e all'integrazione del sistema per applicazioni sia spaziali che di laboratorio. L'obiettivo della missione ComPol è quello di sviluppare e lanciare un satellite CubeSat che trasporta a bordo un telescopio Compton nell'orbita terrestre bassa per studiare le radiazioni emesse da Cygnus X-1, un sistema binario composto da un buco nero e una stella blu massiccia. Il telescopio Compton combina due sistemi di rivelazione: il primo si basa su una matrice di SDD che funge da diffusore, mentre il secondo utilizza un cristallo scintillatore di bromuro di cerio (CeBr₃) associato a un array di moltiplicatori di fotoni al silicio per assorbire i fotoni che sono stati diffusi. Questa tesi si concentra esclusivamente sulla progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione del sistema di rivelazione del diffusore. Osservazioni a lungo termine di Cygnus X-1 possono fornire preziose informazioni sul suo comportamento e la sua evoluzione nel tempo, offrendo una comprensione più approfondita della sua geometria, delle proprietà del disco di accrescimento, della struttura del campo magnetico e dei processi sottostanti che causano tali emissioni. Il progetto SIDDHARTA-2 mira a inaugurare l'osservazione delle emissioni di raggi X provenienti dal deuterio kaonico durante la sua transizione allo stato di energia più basso. Questa ricerca pionieristica esaminerà come le forze nucleari forti influenzino il livello energetico e l'ampiezza delle linee spettrali di queste emissioni. Questo studio viene condotto presso i Laboratori Nazionali di Frascati, utilizzando l'impianto DAΦNE. Questo avanzato collisore elettrone-positrone consente la creazione di atomi esotici contenenti kaoni, cruciali per l'esperimento. A tale scopo, è stata progettata una nuova matrice monolitica 2×4 di SDD spessi 1 mm, con otto celle di area attiva di 8×8 mm² ciascuna e un elettrodo aggiuntivo per ridurre la condivisione di carica tra i pixel. La tesi affronta lo sviluppo di una nuova scheda portante per questi rivelatori SDD spessi 1 mm, migliorando le versioni precedenti da 450 μm, accoppiati ad Amplificatori Sensibili alla Carica (CSA) realizzati con tecnologia CMOS. Inoltre, sviluppa una nuova scheda portante per una struttura impilata di due SDD spessi 1 mm, con l'obiettivo di migliorare ulteriormente l'efficienza di rivelazione dei raggi X duri. Il progetto LABXAS mira a sviluppare uno strumento di spettroscopia di assorbimento dei raggi X (X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) compatto per l'analisi dei materiali in laboratorio all'interno di una camera a vuoto. La tesi contribuisce alla progettazione: 1) di una nuova scheda portante per rivelatori SDD spessi 450 μm e preamplificatori CUBE, 2) di una nuova scheda BIAS per SDD-CSA, 3) di schede adattatrici per il passaggio attraverso la camera a vuoto, e 4) delle parti meccaniche del modulo di rivelazione, tutte conformi ai rigorosi requisiti dello spettrometro. Questo setup mira a fornire capacità di spettroscopia ad alta risoluzione in uno strumento compatto basato in laboratorio, potenzialmente ampliando l'accesso alle tecniche XAS oltre le grandi strutture di ricerca.