Resp. Nazionale e Locale Sez. Milano: Andrea Castoldi Resp. Locale Sez. Firenze (LABeC): Luca Carraresi Contesto scientifico.

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1 Resp. Nazionale e Locale Sez. Milano: Andrea Castoldi (Andrea.Castoldi@polimi.it) Resp. Locale Sez. Firenze (LABeC): Luca Carraresi Contesto scientifico  Lo sviluppo di tecniche avanzate per la caratterizzazione, la diagnostica e la modellizzazione di rivelatori di immagini e di elettronica di front-end in un ampio range di livelli di ionizzazione e’ di interesse primario: http://home.deib.polimi.it/castoldi/aspide /goal.php nella sfida delle nuove sorgenti di raggi X ad alta brillanza (quali ad esempio XFEL@Desy e LCLS@Stanford) che richiedono di sviluppare e qualificare una nuova generazione di rivelatori di immagini con elevato intervallo dinamico (1:10 5 fotoni/pixel) e con risposta temporale ultra veloce (decine di ns) nel range di energie da 0.5 a 12 keV. nei futuri esperimenti di fisica nucleare ad energie intermedie che evolvono verso apparati di rivelazione con maggiore segmentazione (HirA, MUST2) e richiedono tecniche di qualificazione diretta e di modellizzazione in un piu’ ampio intervallo energetico  Il programma di ASPIDE si inserisce nelle attivita’ per lo sviluppo di nuovi rivelatori di immagini X per la futura sorgente XFEL @Desy/Amburgo. I ricercatori di Milano sono parte del consorzio DSSC, che ha il committment dello sviluppo di uno dei 3 rivelatori di immagini 2D per XFEL Obiettivi e attivita’  Sviluppo di uno strumento per la caratterizzazione diretta di rivelatori in silicio ed elettronica di front-end ad alti livelli di ionizzazione, basato sull’uso di bunch di protoni monoenergetici della linea impulsata DEFEL@LABeC – opportunamente ottimizzata e potenziata quale sonda ad elevata risoluzione spaziale – e su un sistema laser IR ottimizzato per bassi livelli di generazione  Mappatura della risposta di rivelatori (case studies rilevanti) - con acquisizione in forma dei segnali e unfolding della distribuzione di carica generata mediante algoritmi dedicati 2011-2013 1/5

2  Sistema laser IR pulsato (705nm, 905nm) per test a bassi livelli di carica Principali sviluppi strumentali (1)  Sistema di DAQ multi-canale per acquisizione segnali digitalizzati in forma ( 500Ms/s, 12 bit, SW di acquisizione, visualizzazione, zero suppression, processing, salvataggio, etc.)  Algoritmi di deconvoluzione dedicati per estrazione forma segnali indotti/diagnostica FWHM=293ps 50ns/4096ADU 50% intensity (904nm) 2/5 HW basato su schede di digitalizzazione multi-canale 500Ms/s 12 bit su bus VME SW di acquisizione/visualizzazione multi-canale in C controllo completo funzionalità: impostazioni clock, trigger, modalità di acquisizione, guadagno e offset per ogni singolo canale, selezione di primo livello (ad es. zero- suppression ed altre) riconfigurabili pre-elaborazione real-time dati acquisiti (ad es. ampiezza, tempo di arrivo, etc. della singola forma d’onda). Estrazione forma d’onda corrente indotta e distribuzione nuvola di carica mediante tecniche dedicate di deconvoluzione Sistema laser IR pulsato (<<1ns) con testa laser intercambiabile a diverse lunghezze d’onda: =904nm (1/a=54µm),  (1/a=6µm) focalizzato con ottiche da microscopio Dimensione spot su rivelatore <10µm Iniezione di carica <10^6 electroni Intensita’ non calibrata

3 Principali sviluppi strumentali (2) 3/5  Ottimizzazione uso protoni monoenergetici 1-6 MeV alla beamline DEFEL@LABeC come sonda ad alta risoluz. in carica/spazio/tempo per detector characterization Proton range 1-5MeV in Si 1 MeV 3 MeV 5 MeV 1µm 4.5µm 9.5µm funzionamento da protoni singoli a bunch di n protoni carica generata calibrata intrinsecamente (1 MeV proton=277,778 el.) Ottimizzazione spettro energetico e time jitter  Potenziamento DEFEL (DEFEL.new): upgrade slitte di profilazione ad alta ris. spaziale, monitor 2D fascio protoni mediante sensore CMOS, sistema di centratura fascio-rivelatore mediante ottiche motorizzate in camera sperimentale nuove slit (JJ X-ray) ad alta risoluzione spaziale montate in linea DEFEL Monitor 2D di fascio ad alta risoluzione spaziale (sensore CMOS pixel 6µm) montato in camera sperimentale ed operante in vuoto con trasmissione segnali via ethernet Snapshot sensore CMOS (2013): profilo 2D fascio @DEFEL.new (spot Ø 40µm) Aptina mt9v034

4 Y(µm) Tdrift (ns) Case study #1: Multi Linear Silicon Drift Detectors: tecniche di confinamento ad alti livelli di carica per 2D tracking (@DEFEL.old) Case study #2: primi test di matrici pixel DEPMOS per XFEL (@DEFEL.old) parametri fondamentali (amp. response, CCE, sharing,etc) deconvoluzione corrente indotta, modeling trasporto setup @ DEFEL experimental end-station Proton trigger signal Single proton waveforms v d =4.84 µm/ns  =14ns (66µm) drift time vs distance 5MeV protons (Q=1.39*10 6 el.) y=1mm 3mm 5mm 7mm 9mm 10.5mm 5MeV (Q=1,390,000el) 5MeV protons (Q=1.39*10 6 el.) amplitude vs. distance Anode current pulses by means of dedicated deconvolution algorithm developed in ASPIDE drift time spectra amplitude spectra Y=0 1mm 3 5 7 9 10.5 Longitudinal profiles of charge cloud @5MeV mappatura con laser IR risposta in ampiezza singolo pixel (75µm) in prototipo matrice 4x4 pixel DePMOS (layout PXD5, tecnologia standard) single pixel con lettura DEPMOS (PXD5) 4/5

5  Esp. EXOCHIM/CNS3 (in atto): Qualification of Double Sided Si-Strip Detectors Ricadute scientifiche di ASPIDE (giu 2013)  Consorzio DSSC (in atto): calibrazione assoluta chip nuovi matrici di pixel DEPMOS con signal compression (tecnologia finale per XFEL) per fine 2013/2014 Si layer of FARCOS telescope (data taking sept. 2012) junction side strips F12 C B A 1x 2x 3x 4x 5x Sinergia con esp. EXOCHIM-gr3. (beam times a sett. 2012/giu. 2013) per test microstrip in silicio doppia faccia (DSSSD) con bunch protoni mono-energetici per mappatura risposta per lo studio forme segnali per Pulse-Shape Analysis e calibrazione in ampiezza dai bassi livelli (<3MeV), per studiare la soglia di identificazione, fino ai livelli piu’ alti (150MeV). F11 Calibrazione energetica e non linearita’ Mappature 2D  XFEL GmbH (potenziale): contatto e seminario invitato (XFEL Calibration meeting, aprile 2013) per discutere applicazione tecnica di caratterizzazione con protoni per i rivelatori 2D di XFEL. Possibilita’ test da inizio 2014 su rivelatore LPD 1024x 1024 pixels Quadrant Ladder Chip A B C 5/5 1024x 1024 pixels 16 ladders/hybrid boards 32 monolithic sensors 128x256 6.3x3 cm 2 DEPFET Sensor bump bonded to 8 Readout ASICs (64x64 pixels) 2 DEPFET sensors wire bonded to a hybrid board connected to regulator modules Heat spreader Dead area: ~15%