Development and application of a test suite for radiation detectors characterization over a wide range of charge injection levels

New techniques aimed at the direct characterization of the response of semiconductor detectors and of the associated front-end electronics are an essential factor for the successful development of a new generation of detection systems compatible, for example, with the present and future high brightness Free Electron Laser sources of X-rays because of their unprecedented beam properties which demand to the detector side the ability to handle high charge levels (up to 10^7 electron-hole pairs per pixel), a dynamic range up to 1:10000 and ultra-fast readout speed. Even higher levels of charge generation are expected in the planned detection arrays for the upcoming nuclear physics experiments which require suitable techniques and instrumentation for calibration and diagnostics in such non-standard operating conditions. To this aim we investigated two techniques, based (i) on the use of mono-energetic proton bunches, available at the DEFEL beam-line at LABEC (LAboratorio di tecniche nucleari per i BEni Culturali), Italy, for high levels of charge injection and (ii) on a table-top pulsed IR laser system, suitable for low and medium injections levels (up to ~10^5 electrons). In addition to the optimization and expansion, with the introduction of new instrumentation, of the pulsed IR laser facility, the activity has been focused on the improvement and qualification of the performance of the DEFEL proton beam line at LABEC. We upgraded the beam line performance in terms of spatial resolution of the proton beam with novel remotely controlled in-vacuum hi-resolution profiling slits and with a CMOS imager as 2D beam monitor. Up to now a beam spot down to about 60μm x 40μm has been achieved and potentially can be further improved. The time jitter of the proton bunches is better than 0.5 ns opening the way to probe also the transport dynamics of the charge carriers with accurate time resolution. A great effort has been also devoted to the implementation of a novel general purpose multi-channel data acquisition (DAQ) system, 500 Msample/s 12 bit, capable of full shape digitization of the output signals coming out from multi-channel devices under test. We present the development of the DAQ system, including the dedicated C language-based acquisition control software, and the functionality tests carried out with the system developed so far. We probed the test suite through qualification campaigns on two relevant case studies: we report (i) the characterization, with monochromatic protons, of the Double Sided Silicon Strip Detectors (DSSSDs) used as first and second detection stages of the telescopes that constitute the FARCOS (Femtoscope Array for COrrelations and Spectroscopy) array and (ii) a detailed qualification, carried out at low and medium levels of charge generation with the laser test suite, of a pixel matrix with DePFET (Depleted P-Channel Field Effect Transistor) readout, that is a first prototype of the DePFET-based pixel detector developed by the DSSC consortium (DePFET Sensor with Signal Compression), a collaboration aimed at the development of a large area 2D X-Ray imaging pixel detector for the new European XFEL.

Tecniche innovative per la caratterizzazione diretta di rivelatori di radiazione a semiconduttore e dell’elettronica di lettura associata sono un fattore chiave per lo sviluppo di una nuova generazione di sistemi di rivelazione compatibili, per esempio, con le future sorgenti di raggi X ad altissima brillanza basate su laser a elettroni liberi FEL (Free Electron Laser). Questi sistemi presentano delle proprietà del fascio senza precedenti che richiedono al rivelatore la capacità di lavorare con alti livelli di carica (fino a 10^7 coppie elettrone-lacuna per pixel), un elevato range dinamico fino a 1:10000 e velocità di lettura estremamente elevate. Livelli di generazione di carica ancora maggiori sono attesi negli array di rivelazione impiegati negli esperimenti di fisica nucleare, che richiedono tecniche e strumentazione adeguati per la calibrazione e la diagnostica in tali regimi operativi. A tal scopo abbiamo indagato due tecniche, basate (i) sull’ uso di un fascio pulsato di protoni monoenergetici, disponibile presso la linea DEFEL al LABEC (LAboratorio di tecniche nucleari per i BEni Culturali), Italia, per gli alti livelli di iniezione di carica e (ii) su un sistema laser pulsato all’ infrarosso, adatto per bassi e medi livelli di iniezione (fino a 10^5 elettroni). In aggiunta all’ottimizzazione ed ampliamento, con l’introduzione di nuova strumentazione, del sistema laser infrarosso, l’attività si è concentrata sul perfezionamento e la qualificazione delle prestazioni della linea di protoni DEFEL. Abbiamo migliorato la risoluzione spaziale con l’installazione di nuove fenditure di profilazione del fascio ad alta risoluzione e montato un sensore CMOS bidimensionale come monitor di fascio. La dimensione del fascio minima raggiunta è di circa 60μm x 40μm, che può essere ulteriormente migliorata con l’ottimizzazione dell’ottica della linea. Il jitter temporale del pacchetto di protoni risulta inferiore a 0.5 ns, rendendo lo strumento adatto a caratterizzare le dinamiche di trasporto dei portatori di carica nei rivelatori con elevata risoluzione temporale. Un importante sforzo è stato profuso per l’implementazione di un nuovo sistema di acquisizione dati multicanale, 500 Msample/s 12 bit, al fine di poter caratterizzare dispositivi, in particolare con più uscite (rivelatori a pixel o segmentati), digitalizzando l’intera forma d’onda dei segnali in uscita. Presentiamo lo sviluppo del sistema di acquisizione, includendo il software dedicato per il controllo dell’acquisizione scritto in linguaggio C e i test di funzionalità eseguiti. Le tecniche di caratterizzazione sviluppate sono state applicate a due rilevanti casi di studio: riportiamo (i) la caratterizzazione, con protoni monoenergetici, dei rivelatori microstrip (Double Sided Silicon Strip Detectors - DSSSD) usati come primo e secondo stadio di rivelazione nei telescopi che costituiscono l’array FARCOS (Femtoscope Array for COrrelations and Spectroscopy) e (ii) una dettagliata qualificazione, eseguita fino a medi livelli di generazione di carica con il sistema laser, di una matrice di pixel con lettura DePFET (Depleted P-Channel Field Effect Transistor), un primo prototipo dei rivelatori a pixel basati su DePFET sviluppati dal consorzio DSSC (DePFET Sensor with Signal Compression), il cui obiettivo è lo sviluppo di un rivelatore bidimensionale a pixel per imaging con raggi X da impiegare con la nuova sorgente di raggi X europea, basata su laser a elettroni liberi, European XFEL.