Femtoscope Array for Correlation and Spectroscopy (FARCOS): simulation and characterization of the detection layers

FARCOS (Femtoscope ARay for COrrelation and Spectroscopy) is a novel detection system featuring high angular and energy resolution able to reconstruct the particles momentum at high precision for different physical cases in heavy-ion collision nuclear physics experiments at intermediate energies. It is based on Double Sided Silicon Strip Detectors (DSSSD) and CsI(Tl) scintillation crystals and its goal is to achieve a full particle identification and correlation by exploiting, together with the standard identification techniques ΔE-E, ToF), Pulse Shape Analysis techniques both on the CsI(Tl) signals and, more ambitiously, on the DSSSD in order to lower the energy identification threshold. The possibility to use our digital Data Acquisition system for the direct waveforms digitization would be beneficial to this purpose. In order to optimize the DSSSD performances we carefully investigated the fundamental physical parameters such as dark currents, capacitances and related entities as a function of the applied bias and of the frequency. In addition, we performed a detailed amplitude and position detectors response mapping exploiting the monochromatic pulsed ion beams available at the INFN-LaBeC facility (Firenze). Special attention is given to the impact of inter-strip beam incidence on the shape of the induced signals, among the main causes that can greatly spoil the overall identification capabilities. We also present the development and the full qualification of a novel simulation tool for the 3D electron-hole transport computation in 2D semiconductor detectors suitable for high charge injection levels and for highly segmented detectors as a powerful and reliable tool to investigate the signal formation dynamics in the DSSSD at operating conditions. In this respect we report a batch of dedicated simulations specifically targeted to help clarifying the experimental results obtained with the inter-strip incidence. To improve also our knowledge of the CsI(Tl) crystals scintillation properties, we extracted the time constants and intensities defining the scintillation response by a direct fitting of the digitized waveforms, showing their dependence on the energy, charge and mass -- at least in a given range -- of the impinging particle. On these basis we probed the merits of novel particle identification matrices. Lastly, we show some preliminary results of the first on-beam test involving full FARCOS telescopes carried out at the INFN-LNS laboratories (Catania) with the main purpose to test the overall system functionality and to probe the light yield non-uniformity of the CsI(Tl) crystals exploiting known reactions. The overall performances, though susceptible of further improvements, are excellent.

FARCOS (Femtoscope ARay for COrrelation and Spectroscopy) è un innovativo sistema di rivelazione ad alta risoluzione angolare ed energetica capace di ricostruire con estrema precisione il momento delle particelle in molteplici casi fisici nel più ampio contesto di esperimenti di fisica nucleare che prevedono collisioni tra ioni pesanti ad energie intermedie. È basato su Double Sided Sided Silicon Strip Detectors (DSSSD) e cristalli scintillatori CsI(Tl), ed il suo obiettivo è di realizzare una completa identificazione e correlazione particellare sfruttando, assieme alle classiche tecniche di identificazione (ΔE-E, ToF), tecniche di analisi in forma dei segnali sia sui segnali del CsI(Tl) e, obiettivo ambizioso, sui segnali dei DSSSD al fine di abbassare la soglia energetica di identificazione. La possibilità di utilizzare il nostro sistema di acquisizione digitale per la digitalizzazione diretta delle forme d’onda è a questo scopo un elemento di vantaggio. Al fine di ottimizzare le prestazioni dei DSSSD abbiamo accuratamente studiato i parametri fisici fondamentamentali quali correnti di buio, capacità e grandezze correlate, in funzione della tensione di svuotamento applicata e della frequenza. Inoltre, abbiamo dettagliatamente mappato la risposta dei rivelatori in ampiezza ed in posizione sfruttando il fascio impulsato di ioni monoenergetici disponibile ai laboratori INFN-LaBeC (Firenze). Speciale attenzione è stata rivolta allo studio dell’impatto di un’incidenza inter-strip sulla forma dei segnali indotti, tra le principali cause di peggioramento delle capacità di identificazione complessive. Presentiamo inoltre lo sviluppo e la completa validazione di un innovativo codice di simulazione per il calcolo del trasporto 3D di elettroni-lacune in rivelatori a semiconduttore 2D compatibile con alti livelli di iniezione di carica ed elevata segmentazione, inteso come potente ed affidabile strumento di indagine della dinamica di formazione dei segnali nei DSSSD alle normali condizioni operative. In quest’ottica mostriamo una serie di simulazioni dedicate specificamente allo studio dell’effetto dell’incidenza inter-strip con il confronto con i relativi dati sperimentali. Per incrementare inoltre la nostra conoscenza sulle proprietà di scintillazione dei cristalli CsI(Tl), abbiamo determinato le costanti di tempo e le intensità che definiscono la risposta di scintillazione attraverso un fitting diretto delle forme d’onda digitalizzate, mostrando la loro dipendenza dall’energia, carica e massa – almeno in un determinato intervallo – della particella incidente. Su queste basi abbiamo esplorato le figure di merito di nuove matrici di identificazione particellare. Infine, sono mostrati alcuni risultati preliminari riguardanti il primo test su fascio di alcuni telescopi FARCOS, svoltosi ai laboratori INFN-LNS (Catania), con la principale motivazione di testare la funzionalità complessiva del sistema e di esplorare la disuniformità di risposta in luce dei cristalli CsI(Tl) utilizzando reazioni note. Le prestazioni complessive, nonostante ci sia margine per ulteriori miglioramenti, sono eccellenti.