Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V ARDESIA (call Gr.V) (ARray of DEtectors for Spectroscopy and Imaging Applications) K-K-K-K- NucleusNucleus X-ray  ray X-ray Spectroscopy in Nuclear Physics experiments (Gr.III) X-ray Spectroscopy with Synchrotron light (Gr.V)  -ray Spectroscopy and Imaging in Nuclear Physics (Gr.III) Gamma cameras for Nuclear Medicine (Gr.V) Goal: Development of a versatile detection module based on arrays of Silicon Drift Detectors and low- noise readout electronics X-ray Spectroscopy for Quantum Mechanics investigations (Gr.III)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Finalità del progetto: sviluppo di un modulo di rivelazione basato su matrici di Silicon Drift Detectors (SDD) lette da un preamplificatori CMOS e da un ASIC veloce, a basso rumore, con prestazioni risultanti del modulo di rivelazione superiori allo stato dell’arte (SDD+JFET integrato), e con tempi e costi di sviluppo inferiori. rendere disponibile il modulo, grazie alla sua versatilità, a più attività di interesse INFN (con la copertura di un range energetico X/  da 200eV a 15MeV): Esperimenti di Fisica Nucleare (Siddharta, Gr.III) – rivelatore per X Esperimenti di Meccanica Quantistica (VIP, Gr.III) – rivelatore per X vantaggi: elevata area a basso costo, elevata risoluzione energetica Fotorivelatori per scintillatori LaBr 3 di grande volume (Gamma, Gr.III, spettrometri gamma per Astrofisica) – rivelatore per  vantaggi: migliore risoluzione energetica e linearità rispetto ai PMT, compattezza Gamma camera per medicina nucleare (Gr.V) – rivelatore per  vantaggi: compattezza, elevata ris. spaziale, compatibilità con campi magnetici Spettroscopia X con luce di sincrotrone (Gr.V) – rivelatore per X vantaggi: elevata risoluzione energetica ad alti tassi di conteggio possibilità di ricadute industriali dei risultati raggiunti, applicabilità in Horizon2020

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V La base di partenza (1): Tecnologia SDD recentemente sviluppata ai laboratori FBK di Trento e già provata su unità singole Preamplificatore ‘CUBE’ recentemente sviluppato al Politecnico di Milano rivelatori SDD singoli prime matrici di SDD (3x3) SDD CUBE radiation entrance window prestazioni analoghe o superiori (ad alti tassi di conteggio) alla tecnologia SDD+JFET integrato (lo stato dell’arte) record di risoluzione a tempi di formatura così brevi

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V La base di partenza (2): Precedenti esperimenti INFN di Gr.V (DRAGO, VELA, IXO-HTRS,…) per sviluppo di ASIC per SDD Spettro ottenuto con un SDD (10mm 2 ), CUBE e ASIC HTRS a conteggi/s ASIC: IXO-HTRS (miglior risoluzione energetica a tassi di conteggio così elevati)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Attività previste nel progetto: Sviluppo di matrici di rivelatori SDD miglioramento del processo (corrente di leakage, finestra di ingresso per X molli, strati anti-riflesso per lettura scintillatori, passivazione per montaggio,…) geometria del rivelatore (trade-off dimensione unità  prestazioni, riduzione tempo di drift, deficit ballistico, riduzione aree morte,…) Sviluppo elettronica integrata di lettura sviluppo di un ASIC unico per utilizzo sia in rivelazione X che  e con architettura di multiplexing flessibile (lettura ‘sparse’, lettura ‘polling’) DAQ versatile per utilizzo modulo ARDESIA nelle diverse applicazioni X e  Sviluppo di un modulo di rivelazione ‘versatile’ basato su matrice SDD+CUBE+ASIC disegno modulo con bassa area morta per affiancamento ottimale di matrici affidabilità, yield di assemblaggio e interconnessione, raffreddamento (Peltier, criog.) selezione materiali bassa radioattivita' per esperimenti sotterranei di eventi rari (VIP) Sperimentazione nelle applicazioni previste (ed eventuali altre): utilizzo nell’upgrade dell’esperimento Siddharta-2 (in sinergia con attività Gr.III) utilizzo nell'upgrade dell'esperimento VIP ai LNGS (in sinergia con attivita' Gr. III) misure di spettroscopia ed imaging  con scintillatori LaBr 3 di grande volume (in sinergia con attività Gamma di Gr.III) – studio del timing implementazione in Anger camera per rivelazione  in medicina nucleare, esplorazione compatibilità con MRI (possibile interesse industriale) sperimentazione con luce di Sicrotrone (DXR1-LNF, GILDA-ESRF, DIAMOND-UK) in misure di spettroscopia X con elevata risoluzione ed elevati tassi di conteggio

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Il modulo di rivelazione ARDESIA (disegno preliminare) 3x3 or 4x4 SDDs T ~ -20°C 1 CUBE/SDD module cross- section limited by silicon chip only (no additional dead area)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Premessa: precedenti ASIC (INFN: DRAGO, IXO-HTRS, SIDDHARTA; altri: HICAM, ESA, VERDI) per X e  hanno richiesto design diversi (funzionalità, guadagni, tempi di formatura, tipologie di multiplexing richieste dai DAQ specifici degli esperimenti). Obiettivo: disegnare un ASIC unico che possa essere utilizzato in uno spettro relativamente ampio di applicazioni, dalla Spettroscopia X all’imaging gamma con scintillatori L’ASIC di ARDESIA

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V IL DAQ di ARDESIA Un’unico sistema DAQ per le applicazioni previste in ARDESIA Disegno basato su componenti hardware/sofwtare modulari (es. National Instrument), a basso costo e facilmente riconfigurabili (LabVIEW) per coprire le diverse applicazioni.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Use of ARDESIA detection module in SIDDHARTA-2 (Gr.III) K-K-K-K- NucleusNucleus X-ray ARDESIA M. Bazzi et al., “Preliminary study of kaonic deuterium X-rays by the SIDDHARTA experiment at DAFNE”, Nucl. Phys. A907 (2013) Opportunity to upgrade the apparatus with 200cm 2 of detectors from the ARDESIA development (performances, costs). Possibility of use in similar experiments at J-PARC (Japan) Strong interaction studies al low energy (non-perturbative QCD in strangeness sector) through precise X-ray spectroscopy measurements of Kaonic atoms transitions

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V ARDESIA C. Curceanu et al., “Experimental tests of Quantum Mechanics: from Pauli Exclusion Principle Violation to spontaneous collapse models”, 2012 J. Phys.: Conf. Ser Use of ARDESIA detection module in Quantum Mechanics Tests – experiment VIP and collapse of wave function (Gr.III) L’esperimento VIP (Gr.III) misura transizioni atomiche degli elettroni sul livello 1s del rame proibite dal principio di esclusione di Pauli PEP (transizioni in cui sono gia’ presenti 2 elettroni sul livello 1s) L’utilizzo dei nuovi moduli di rivelazione SDD sviluppati in ARDESIA, per un totale di 20-30cm 2, permetterebbe di migliorare il limite sulla probablillita’ di violazione di circa 3 ordini di grandezza, portandolo nel range dove una possibile violazione indotta dal nuova fiica ( tipo “large compactified extradimensions”) diventerebbe misurabile. Possibile utilizzo in nuovi esperimenti di test meccanica quantistica – es. emissione raggi X riconducibile al collasso della funzione d’onda (teoria GRW)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Use of ARDESIA module for HIGH energy gamma detection  ray Application in Nuclear physics: Doppler broadening recovery in spectroscopy measurements of radioactive sources moving at relativistic velocity, by means of position localization (res. ~ 1cm) (esperimento Gamma, Gr.III) advantages vs PMTs compactness, low voltages energy resolution linearity with large signals (>10MeV) ARDESIA source  detector F. Birocchi, et al., “Position sensitivity of large volume LaBr3:Ce detectors” NSS Conference Record (NSS/MIC), 2009 IEEE, Page(s): 1403 – 140.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Use of ARDESIA module for LOW energy gamma detection ARDESIA Basic unit for Gamma cameras for Nuclear Medicine (140keV, Tc 99 ) advantages vs PMTs compactness, low voltages spatial resolution compatibility with magnetic fields suitable photodetector for multi-modality SPECT/MRI imaging systems (see FP7- INSERT project) C.Fiorini, et al., “The HICAM gamma camera”, IEEE Trans.Nucl.Sci., Vol. 59, n.3, June 2012, Page(s)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Use of ARDESIA in DA  NE-Light soft X-ray beamline -Wiggler soft x-ray beam line -Working range keV - TOYAMA double crystal monochromator with KTP (011), Ge (111), Si (111), InSb (111) and Beryl (10-10) crystals - Soft X-ray absorption spectroscopy and tests of optics and detectors. Synchrotron X-ray beam X-ray Fluorescence beam I0I0 ITIT With ARDESIA the chance to study dilute samples using X-ray absorption spectroscopy in fluorescence mode ARDESIA

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Originalità, innovazione del progetto e la sua relazione con lo stato dell'arte 1)Innovazione tecnologica associata al modulo di rivelazione Modulo di rivelazione SDD di grande area (5-7cm 2 ), con prestazioni superiori allo stato dell’arte (ref. produttori commerciali PNSENSOR, KETEK, Amptek, Canberra..), con minore costo (e sviluppo interamente italiano). Modulo di rivelazione + CUBE+ ASIC: soluzione compatta, versatile con molteplicità di applicazione nella rivelazione X e  2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo modulo (1) Uso nell’upgrade di Siddharta-2: misure delle transizioni sui livelli 1s e 2p per il deuterio kaonico, e l’elio kaonico, mai effettuate finora per indisponibilità di rivelatori di grande area attiva, con elevata risoluzione e con una stabilita’ al di sotto di qualche eV a 6 keV. I risultati avrebbero un impatto che va dalla fisica delle particelle e nucleare all’astrofisica (ruolo della stranezza nelle stelle di neutroni). Potenziali utilizzo in esperimenti a J-PARC (Giappone)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V 2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo modulo (2) nell’esperimento VIP permetterebbe di effettuare una misura di altissima precisione delle transizioni X in rame proibite dal principio di esclusione di Pauli (abbassamento di 2-3 ordini di grandezza dell’attuale limite sulla probabilita’ di violazione del principio di Pauli). Potenziale utilizzo in altri esp. Meccanica Quantistica (collasso funzione d’onda). Spettroscopia di assorbimento X o XAFS. ARDESIA offre notevoli vantaggi rispetto ai rivelatori presenti al momento sulle linee DXR1-LNF e GILDA-ESRF. Rispetto alla tecnologia HP-Ge, vantaggi immediati sono i seguenti: 1) possibilità di montaggio all'interno della camera di misura (sotto vuoto) con conseguente incremento dell'angolo solido raccolto; 2) aumento del max count rate (~1Mcps/cm 2 ) rispetto ai sistemi disponibili; 3) un aumento di quasi un ordine di grandezza del potere risolutivo (rapporto tra le densità di due elementi contigui nella tavola periodica presenti nello stesso campione). 4) Riduzione dei tempi di acquisizione, incremento del rapporto segnale/rumore. ARDESIA metterebbe a disposizione di una grossa comunità di utenti di luce di sincrotrone uno strumento con caratteristiche di rilievo. Potenziale interesse con i nuovi free electron laser.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V 2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo modulo (3) Nell’utilizzo come fotorivelatore per scintillatori, ARDESIA offrirebbe sicuramente dei vantaggi rispetto ai più convenzionali PMT utilizzati nelle applicazioni: Possibilità di raggiungere una migliore risoluzione energetica e spaziale. Maggiore compattezza rispetto a PMT. Tensioni di alimentazioni più basse (100V rispetto a più di 1000V). Il modulo di rivelazione basato su SDD offrirebbe inoltre migliore linearità di risposta, in particolare ad elevate energie gamma (>10MeV) dove i PMT mostrano limiti di saturazione (anche i SiPM). Potenziale compatibilità con i campi magnetici del modulo ARDESIA, per possibili applicazioni di imaging multimodale (SPECT/MRI), un contesto in cui i PMT non possono essere utilizzati.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Rilevanza e attualità del progetto in relazione alla mission INFN e in particolare alle tematiche di interesse della CSN5 Sviluppo di moduli di rivelazione SDD raffreddati con Peltier ed elettronica associata già tematica di interesse della CSN5 (es. esperimenti DRAGO, IXO-HTRS, …). Potenziale impiego di ARDESIA in almeno due esperimenti INFN di Gr.III: SIDDHARTA-2 (sigla Kaonnis) e VIP. Benefici di tipo tecnico/scientifico ed economico. Uso di ARDESIA come fotorivelatore di scintillatori. Interesse della sigla GAMMA di Gr.III dove è in corso già da alcuni anni un’attività di R&D per esplorare l’impiego degli SDD per la lettura di scintillatori LaBr 3 di grande volume per misure di fisica nucleare. Possibile applicazione in medical imaging. Il modulo ARDESIA risulterebbe utilizzabile anche in misure con luce di Sincrotrone. Una milestone del progetto prevede di dotare la beamline DXR1 dei LNF di un rivelatore a grande area che consenta di effettuare misure che oggi non sono possibili causa la mancanza di un rivelatore adeguato. Sperimentazione prevista anche in GILDA (ESRF).

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V - altre Commissioni Scientifiche INFN Gr.III: esperimenti SIDDHARTA-2, VIP e GAMMA. - istituzioni esterne e laboratori di ricerca, nazionali e/o internazionali; Sono attive collaborazioni (SIDDHARTA-2 e VIP) con: SMI-Vienna; IFIN-HH Bucarest (Romania), TUM-Monaco Germania; RIKEN e Univ. Tokyo (Giappone), Univ. Zagreb (Croatia), istituti interessati a prendere parte attiva al progetto ARDESIA Linea GILDA. Francesco D’Acapito, co-responsabile della linea GILDA alla European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble e membro della delegazione italiana della Advisory Financial Committee di ESRF. Diamond Light Source, UK. Nicola Tartoni, Head of Detector Group. - industrie, soggetti pubblici o privati che co-­ ‐ finanziano la ricerca; Nel caso in cui ARDESIA fosse incluso nell’accordo MEMS3 tra FBK e INFN vi sarebbe un importante co-finanziamento al progetto da parte di FBK. Due assegnisti e un dottorando del Politecnico di Milano sono finanziati su contratti dipartimentali per attività che si ritengono sinergiche con quelle dell’esperimento e quindi in parziale co-finanziamento allo stesso. La società Mediso (Ungheria), operativa nella strumentazione per medical imaging, ha dichiarato interesse al progetto e al test dei rivelatori (vedi lettera)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V ARDESIA può generare una soluzione tecnologica (moduli di rivelazione, elettronica) per nuove proposte di progetti europei in ambito Horizon 2020 nei settori della ricerca scientifica, industriale e delle scienze della vita. Acquisiti in passato progetti EC FP6 (HICAM, SIDDHARTA), FP7 (INSERT) grazie alla disponibilità di tecnologia SDD ed elettronica relativa. Presentazione di una proposta (fine 2013) per un progetto nell’ambito del futuro call Horizon2020 Infrastructures che seguira’ all’attuale progetto HaddronPhysics3 su rivelatori di altissima precisione per misure di raggi X. Verra’ presentato l’utilizzo di rivelatori SDD in sinergia con ARDESIA. La spettroscopia di assorbimento X o XAFS presenta notevoli applicazioni in campi tecnologici (nanotecnologie) di sicuro interesse in Horizon Uno degli scopi di Horizon 2020 è anche assicurare ai ricercatori europei l’accesso alle grandi infrastrutture di ricerca dove possono essere fatte misure avendo a disposizione la migliore strumentazione per effettuare misure di notevole impatto scientifico e tecnologico. Impatto della ricerca per Horizon 2020

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Rivelatori di grande area (5-7cm 2 ), modulari, a loro volta assemblabili in formati ancora più grandi, con costi di produzione relativamente bassi, potrebbe aprire uno scenario applicativo ad oggi ancora inesplorato dai principali attori industriali (PNSENSOR, KETEK, AMPTEK, BRUCKER, CANBERRA SII,..). Applicazioni: Medical Imaging, Radiation Monitoring, Synchrotron Instrumentation, Analytical Instrumentation (ex. XRF) ….. Durante il progetto verranno esplorate possibili ricadute industriali delle tecnologie sviluppate, identificando piccole e medie imprese interessate a sviluppare prodotti che ne possano aumentare il grado di competitività e che oggi non posseggono le strutture, e risorse ed il know-how per un autonomo sviluppo di queste tecnologie. Coinvolgimento anche in bandi Horizon2020 per SME. Mediso (Ungheria): interesse alla sperimentazione dei prototipi. Impatto su possibili coinvolgimenti dell’industria

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Implementazione del progetto Le attività previste nel progetto sono strutturate in 4 WP: WP1 – Sviluppo di matrici di rivelatori SDD. Responsabile: Claudio Piemonte (FBK)* WP2 – Sviluppo elettronica integrata di lettura e DAQ. Responsabile: Carlo Fiorini (MI-INFN) WP3 – Sviluppo del modulo di rivelazione e sua caratterizzazione. Responsabile: Carlo Fiorini (MI-INFN) WP4 – Sperimentazione nelle applicazioni. Responsabile: Antonella Balerna (INFN-LNF) * supervisore delle attività di sviluppo degli SDD anche se FBK non partecipa come unità nel progetto (è prevista la partecipazione di TIFPA negli anni successivi)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Piano temporale delle attività

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Unità partecipanti INFN-Milano (Carlo Fiorini, Resp.Naz.) Ruoli e compiti: modulo di rivelazione, elettronica integrata, cooperazione allo sviluppo del DAQ, supporto alla sperimentazione nelle applicazioni, misure di spettroscopia e imaging gamma con scintillatori LaBr 3 di grande volume, supervisione del disegno e della produzione di matrici di rivelatori Silicon Drift Detectors (sviluppo presso FBK a Trento). INFN-LNF (Antonella Balerna). Questa unità comprende due gruppi: DAFNE-Luce, SIDDHARTA Ruoli e compiti: sviluppo DAQ, sperimentazione rivelatori per spettroscopia X (bassa temperatura, stabilità linearità, bassa radioattività, ecc.), studio dell’applicazione in esperimenti INFN di gruppo III (SIDDHARTA, VIP), istallazione di moduli di rivelazione presso le linee di luce di sincrotrone DXR1 (LNF) e GILDA (ESRF) e conduzione di esperimenti di caratterizzazione. C.Fiorini (PO) 0.6FTE R.Peloso (Assegnista)1.0FTE P.Busca (Assegnista)1.0FTE A.Giaz (Assegnista)0.5FTE B.Nasri (Dottorando)1.0FTE M.Occhipinti (Dottorando)1.0FTE P.Trigilio (Dottorando)1.0FTE Totale6.1FTE A.Balerna (Primo Ricercatore)0.4FTE E.Bernieri (Ricercatore)0.4FTE S.Mobilio (PO)0.4FTE M. Iliescu (Ricercatore)0.1FTE I.Tucakovich (Dottoranda)0.2FTE M.Bazzi (Tecnologo)0.2FTE A.D’Uffizi (Tecnologo)0.1FTE E.Sbardella (Borsista)0.2FTE Totale2.0FTE è prevista la partecipazione formale di TIFPA (Trento) come unità dal II anno

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Richiesta finanziaria nota: i costi SJ riguardano la differenza di costo per i run di produzione di rivelatori FBK qualora essi non fossero considerati sotto l’accordo INFN-FBK MEMS3. Qualora il progetto ARDESIA rientri invece in questo accordo, i costi indicati come SJ non vanno considerati.