Silicon low-gain avalanche detectors for X-ray spectroscopy

The evolution of Semiconductor Radiation Detectors (SRD), widely employed in various research and industrial systems, including X-ray spectrometers, has been driven intensively by the most demanding SRD applications in scientific experiments, such as those in High-Energy Physics (HEP). Among SRDs initially developed for tracking in HEP are the Low-Gain Avalanche Diodes (LGADs), whose outstanding timing resolution of less than 30 ps is achieved by exploiting the signal charge multiplication gain via impact ionization within a thin detector structure. The LGAD operation principle is similar to that of Avalanche Photodiodes (APD): the multiplication gain increases the signal amplitude and its steepness, thereby reducing the relative noise contributions of the preamplifier and subsequent stages of the electronic chain, which improves the system performance. The increase of the signal amplitude in LGAD detectors has also attracted significant research interest for hybrid soft X-ray spectrometers (from 200 eV to 2 keV), whose energy resolution is expected to improve when LGAD replaces a standard Diode-based sensor. However, the LGAD multiplication gain introduces an excess noise due to the non-deterministic nature of the impact ionization process. This excess noise component must be precisely determined at various operating conditions to optimize the performance of any LGAD-based radiation detector. Thus, this thesis targets an analysis of different noise components in LGAD-based X-ray spectrometers, including the noise of the electronic chain and excess noise due to multiplication gain, and defines their ultimate performance limits.

L’evoluzione dei rivelatori di radiazioni a semiconduttore (Semiconductor Radiation Detectors, SRD), ampiamente impiegati in numerose strumentazioni sia di ricerca che industriali, inclusi gli spettrometri a raggi X, è stata fortemente guidata dalle applicazioni più esigenti in ambito scientifico, come quelle della Fisica delle Alte Energie (High-Energy Physics, HEP). Tra gli SRD inizialmente sviluppati per il tracciamento delle particelle in HEP vi sono i diodi a valanga a basso guadagno (Low-Gain Avalanche Diodes, LGAD), la cui eccezionale risoluzione temporale, inferiore a 30 ps, è ottenuta sfruttando la moltiplicazione della carica di segnale tramite ionizzazione per impatto all’interno di una struttura di rivelazione sottile. Il principio di funzionamento degli LGAD è simile a quello dei fotodiodi a valanga (Avalanche Photodiodes, APD): il guadagno di moltiplicazione aumenta l’ampiezza del segnale e la sua rapidità temporale, riducendo così l’influenza relativa dei contributi di rumore del preamplificatore e degli stadi successivi della catena elettronica, con conseguente miglioramento delle prestazioni del sistema. L’aumento dell’ampiezza del segnale negli LGAD ha inoltre suscitato un notevole interesse di ricerca per spettrometri ibridi a raggi X molli (da 200 eV a 2 keV), la cui risoluzione energetica è prevista migliorare quando un LGAD sostituisce un sensore standard basato su Diodi. Tuttavia, il guadagno degli LGAD causa un rumore in eccesso dovuto alla natura non deterministica del processo di ionizzazione per impatto. Questa componente di rumore in eccesso deve essere determinata con precisione in diverse condizioni operative per ottimizzare le prestazioni di qualsiasi rivelatore di radiazione basato su LGAD. Pertanto, questa tesi si propone di analizzare le diverse componenti di rumore negli spettrometri a raggi X basati su LGAD, includendo il rumore della catena elettronica e il rumore in eccesso dovuto al guadagno di moltiplicazione, e di definirne i limiti ultimi delle prestazioni ottenibili.