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) Scopo: Sviluppo di un modulo di rivelazione versatile basato su matrici di Silicon Drift Detectors ed elettronica a basso rumore per moltepici applicazioni X e gamma (200eV-15MeV) X-ray Spectroscopy for Quantum Mechanics investigations (Gr.III)

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, già provata su unità singole, ed in corso di sperimentazione su matrici 8 x 8 mm 2 single SDD Array: 9 SDDs (8 x 8 mm 2 each) 12 x 12 mm single SDD Wafer prodotto nell’ambito di un progetto ESA, per lo sviluppo di spettrometri gamma basati su LaBr 3 letti da SDD 26mm

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V area = 64mm 2 X-ray spectroscopy  -ray spectroscopy with LaBr 3 thin entrance window suitable for both soft X-ray detection (>200eV) and scintillator readout

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V La base di partenza (2): Preamplificatore CMOS ‘CUBE’ (recentemente sviluppato al Politecnico di Milano) l’intero preamplificatore collegato nelle vicinanze del SDD (e non solo il FET) l’elevata transconduttanza del PMOS d’ingresso compensa la maggiore capacità introdotta dal collegamento SDD-FET (rispetto alla tecnologia SDD+JFET integrato del Max Planck Institut, lo stato dell’arte) la parte rimanente dell’elettronica (ASIC di processamento analogico) può essere alloggiata a distanza dal rivelatore (10-100cm) SDD CUBE radiation entrance window prestazioni analoghe o superiori (ad alti tassi di conteggio) alla tecnologia SDD+JFET integrato SDDCUBE

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V SDD characteristics: Area = 10mm 2 T= -40°C 1.0  s shaping time (optimum) Top performances of SDD readout by the CUBE preamplifier 250ns shaping time best resolution ever obtained with a SDD (even with integrated JFET) at this short shaping time 126.4eV FWHM (ENC= 5.0 e- rms) 55 Fe spectrum eV FWHM (ENC= 3.7 e- rms)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V La base di partenza (3): Precedenti esperimenti INFN di Gr.V (DRAGO, VELA, IXO-HTRS,…) ASIC: IXO-HTRS Spettro ottenuto con un SDD (10mm 2 ), CUBE e ASIC IXO-HTRS a conteggi/s The DRAGO Gamma Camera (INFN Gr.V, 2007)

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) one-side biasing Range energetico per X/  da 200eV a 15MeV (con scintill.)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V opzione con scheda ASIC in prossimità ASIC esempio di possibile architettura con 4 moduli (es. per tomografi SPECT)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Premessa: precedenti ASIC per X e  (INFN: DRAGO, IXO-HTRS, SIDDHARTA; altri: HICAM, ESA, VERDI) 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 SIDDHARTA (INFN) DRAGO (INFN) IXO-HTRS (INFN) VERDI (CANBERRA) HICAM (EC) SDD-ESA (ESA)

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/software 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 Esempio di questo approccio utilizzato in una gamma camera sbRIO Backplane connected to the 40 channels FPGA easily reconfigurable offers scalability and versatility LabVIEW user interface for real-time control and data acquisition and display Development of a reliable system in few months

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) vantaggi vs PMTs elevata QE compattezza, basse tensioni risoluzione energetica linearità con segnali elevati (>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 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 ARDESIA detector: large area (5-10cm 2 ) max count rate (~1Mcps/cm 2 ) shorter meas. times larger S/N interest also from GILDA (ESRF) DIAMOND (UK)

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Attività previste nel progetto: Produzione di matrici di rivelatori SDD miglioramento del processo (corrente di leakage, passivazione per montaggio,…) geometria del rivelatore (trade-off dimensione unità  prestazioni, riduzione tempo di drift, deficit ballistico, riduzione aree morte,…) 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, assemblaggio e interconnessione, raffreddamento (Peltier, criog.) selezione materiali bassa radioattivita' per esperimenti sotterranei di eventi rari (VIP) 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  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 Implementazione del progetto Le attività previste nel progetto sono strutturate in 4 WP: WP1 – Produzione delle 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 I-II anno: sviluppo di ARDESIA III anno: sperimentazione, exploitation plan 1° prototipo prototipo finale

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)ARDESIA genererebbe un modulo di rivelazione basato su SDD, con elettronica e DAQ associati, attualmente non disponibile e caratterizzato da: prestazioni superiori allo stato dell’arte (e da unità singole  matrici) un modulo di grande area (5-7cm 2 ), unito alla disponibilità dell’elettronica (ASIC+DAQ), non trova un corrispettivo sistema presso i principali produttori commerciali di SDD (PNSENSOR, KETEK, Amptek, Canberra, SII..) basso costo di sviluppo (interamente italiano) 1)La sua versatilità e compattezza ne consentirebbero un ampio utilizzo dalla ricerca di base ad applicazioni tecnologiche ed industriali: ricerca di base: fisica nucleare, astrofisica, meccanica quantistica,… ricerca applicata: sincrotrone, medicina nucleare, … industria: microanalisi per SEM, strumentazione XRF, …

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 Impiego di ARDESIA in almeno due esperimenti INFN di Gr.III: SIDDHARTA-2 (sigla Kaonnis) e VIP. Benefici di tipo tecnico/scientifico ed economico. Interesse anche della sigla GAMMA di Gr.III dove si sta esplorando l’impiego degli SDD per la lettura di scintillatori LaBr 3 di grande volume per misure di fisica nucleare. Sviluppo di moduli di rivelazione SDD raffreddati con Peltier ed elettronica associata già tematica di interesse della CSN5 (es. esperimenti DRAGO, IXO-HTRS, …). 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) e DIAMOND (UK).

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V - 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; La società Mediso (Ungheria), operativa nella strumentazione per medical imaging, ha dichiarato interesse al progetto e al test dei rivelatori (vedi lettera) 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.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Presentazione di una proposta (fine 2013) per un progetto nell’ambito del futuro call Horizon2020 Infrastructures che seguira’ all’attuale progetto HadronPhysics3 su rivelatori di altissima precisione per misure di raggi X. Verra’ presentato l’utilizzo di rivelatori SDD in sinergia con ARDESIA. 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 (HICAM, SIDDHARTA, INSERT) grazie alla disponibilità di tecnologia SDD ed elettronica relativa. 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 Disponibilità di moduli di grande area (5-7cm 2 ), modulari, a loro volta assemblabili in formati ancora più grandi, con costi di produzione relativamente bassi, potrebbe aprire un interesse da parte di SME fornitori di strumentazione. Analoga offerta non disponibile presso i 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 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

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Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Spare slides

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.

Politecnico di Milano and INFN, Italy ARDESIA – call INFN gruppo V Single-side biasing only (no bonding on back side) C. Fiorini, A. Longoni, P. Lechner, IEEE Trans. on Nucl. Sci., Vol. 47, n° 4, p , August 2000 punch- through holes current density The SDD is operated with the back electrode disconnected and biased by means of the punch-through technique. This eliminates bondings on the backside  hybrid design simplification and reduction of dead areas