A family of readout ASICs for X and γ-rays spectroscopy

Aim of my Doctoral thesis has been the study, the design, the characterization of different integrated circuits, designed for different applications in the field of nuclear electronics. Nowadays, advanced microelectronics processes have made possible advanced signal processing with dedicated ASICs (Application Specific Integrated Circuit) for the readout of an increasing number of channels, ensuring at the same time compactness, low noise and low power in the systems. My work in these years has been especially focused on the design of integrated circuits for Silicon Drift Detectors used both in X-ray and γ-ray applications. An interesting research field is to combine ASICs design for the acquisition of signals from SDDs in order to reach the best performances of energy resolution with compactness, low power and high efficiency. Silicon Drift Detectors (SDDs) are relatively recent devices, invented by E. Gatti and P. Rehak in 1983, that are now the de facto standard in low noise, high rate X-ray detection (for instance EDX, EDS, XRF, etc..) in the typical range 0.2 - 30 keV, but they are also a competitive alternative to photomultiplier tubes (PMTs) for the readout of light from scintillators, thanks to their high quantum efficiency and low electronic noise. The simultaneous presence of this two important peculiarities makes SDDs in advantage in scintillator readout respect to other photodetectors, for instance PIN diodes (higher noise) or Silicon PhotoMultipliers (huge improvements in the last few years but still a lower photo detection efficiency) despite of the need to moderate cool them in real applications. The advantages of SDDs respect to PMTs are in robustness and compactness and they allow a simpler use in extreme conditions such as astronomical observatories on satellites or interplanetary missions; furthermore the compatibility of silicon detectors to high magnetic fields allow also the use of SDDs arrays in nuclear imaging combined to Magnetic Resonance Imaging (MRI). The activity was carried out in several projects: an 8-channels ASICs for high resolution and high throughput X-rays Spectroscopy with SDDs for the High Time Resolution Spectrometer (HTRS), a γ-rays spectrometer in the range of 150 keV-15 MeV based on large LaBr3:Ce scintillators with a 27-channels ASICs (in collaboration with the European Space Agency, ESA), a highly reconfigurable 8-channels multi detectors (SDD, PMT, Ge, SiLi, etc...) readout chip (VERDI - VErsatile Readout for Detector Integration) and the application of the designed ASICs for nuclear physics experiments (INFN-GAMMA and INFN-SIDDHARTA).

Scopo della tesi di dottorato è stato lo studio, il progetto e la caratterizzazione sperimentale di diversi circuiti integrati per un ampio spettro di applicazioni nel campo dell’elettronica nucleare. I moderni processi microelettronici hanno permesso un’elaborazione del segnale tramite ASICs (Application Specific Integrated Circuit) dedicati per un numero crescente di canali di lettura, garantendo basso rumore e basso consumo di potenza. Il mio lavoro descritto in questa tesi è stato focalizzato in particolare sul progetto di circuiti integrati per Silicon Drift Detector (SDD) per applicazioni di rivelazione di raggi X e gamma. I SDD sono fotorivelatori relativamente recenti, inventati da E. Gatti e P. Rehak nel 1983, che sono diventati negli lo standard per applicazioni a basso rumore e alto rate di rivelazioni di raggi X (per esempio EDX, EDS, XRF, ecc..) per un range energetico compreso tra pochi eV fino a decine di keV, ma sono anche una valida alternativa ai tubi fotomoltiplicatori (PMT) per la lettura di scintillatori grazie alle loro caratteristiche di alta efficienza quantica e basso rumore. I vantaggi degli SDD rispetto ai PMT sono in maggiore robustezza e compattezza e permettono un più semplice uso in condizioni di lavoro estreme come osservatori spaziali su satelliti; un ulteriore vantaggio è la compatibilità di questi rivelatori ad alti campi magnetici che permettono il loro uso in medicina nucleare combinata a strumenti come la risonanza magnetica nucleare (MRI) L’attività stata svolta nell’ambito di diversi progetti: un circuito a otto canali per spettroscopia X ad alta risoluzione e alta efficienza con SDD per l’High Time Resolution Spectrometer (HTRS), uno spettrometro gamma nel range energetico 150 keV - 15 MeV basato su scintillatori LaBr3:Ce di grande area (diametro 1”, 2” e 3”) caratterizzato da un circuito integrato multicanale (27 canali), un circuito integrato ad otto canali altamente riconfigurabile per la lettura di diversi tipi di rivelatori (SDD, PMT, Ge, SiLi, ecc..) chiamato VERDI (VErsatile Readout for Detector Integration) e l’applicazione dei circuiti progettati per esperimenti di fisica (INFN-GAMMA e INFN- SIDDHARTA)