ARDESIA (call Gr.V)
(ARray of DEtectors for Spectroscopy and Imaging Applications)
X-ray Spectroscopy for
Quantum Mechanics
investigations (Gr.III)
X-ray
K-
X-ray Spectroscopy in Nuclear
Physics experiments (Gr.III)
Nucleus
X-ray Spectroscopy with
Synchrotron light (Gr.V)
g-ray Spectroscopy and Imaging
in Nuclear Physics (Gr.III)
Gamma cameras for
Nuclear Medicine (Gr.V)
g ray
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)
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
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
Array: 9
SDDs (8 x 8
mm2 each)
8 x 8 mm2
single
SDD
26mm
12 x 12 mm
single SDD
Wafer prodotto nell’ambito di un progetto ESA,
per lo sviluppo di spettrometri gamma basati su
LaBr3 letti da SDD
ARDESIA – call INFN gruppo V
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X-ray spectroscopy
g-ray spectroscopy with LaBr3
area = 64mm2
thin entrance
window suitable for
both soft X-ray
detection (>200eV)
and scintillator
readout
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
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)
radiation entrance window
SDD
CUBE
CUBE
SDD
CUBE
prestazioni analoghe o superiori (ad alti tassi di conteggio) alla tecnologia
SDD+JFET integrato
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
55Fe
spectrum
Top performances of SDD
readout by the CUBE
preamplifier
123.0 eV FWHM
(ENC= 3.7 e- rms)
SDD characteristics:
• Area = 10mm2
• T= -40°C
1.0 ms shaping time (optimum)
250ns shaping time
126.4eV FWHM
best resolution ever obtained with a
SDD (even with integrated JFET)
at this short shaping time
ARDESIA – call INFN gruppo V
(ENC= 5.0 e- rms)
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La base di partenza (3):
Precedenti esperimenti INFN di Gr.V (DRAGO, VELA, IXO-HTRS,…)
ASIC: IXO-HTRS
Spettro ottenuto con un SDD (10mm2),
CUBE e ASIC IXO-HTRS
a 800.000 conteggi/s
The DRAGO Gamma Camera
(INFN Gr.V, 2007)
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Il modulo di rivelazione
ARDESIA (disegno preliminare)
SDD array
Bonding wire
Preamplifier
Ceramic board
Copper block
Range energetico per X/g
da 200eV a 15MeV (con scintill.)
Peltier cooler
Flex cable
Flex cable
connector
•
•
•
•
3x3 or 4x4 SDDs
T ~ -20°C
1 CUBE/SDD
module crosssection limited
by silicon chip
only (no
additional dead
area)
• one-side biasing
ARDESIA – call INFN gruppo V
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ASIC
opzione con scheda ASIC in prossimità
esempio di possibile architettura con
4 moduli (es. per tomografi SPECT)
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VERDI (CANBERRA)
HICAM (EC)
SIDDHARTA (INFN)
DRAGO (INFN)
L’ASIC di ARDESIA
Shaping Amplifier
(9th order)
Peak
Stretcher
Baseline
Holder
Peak
Stretcher
Logic
PRE
Fast
Shaper
INHIBIT and
RESET logic
IXO-HTRS (INFN)
Channel #2
PRE
Channel #16
/8
Pile Up
Rejector
Channel #1
PRE
RESET
SDD-ESA (ESA)
M
U
X
Output
Buffer
OUT
SPARSE /
POLLING MUX
LOGIC
ADDRESS
Digital Section
SDD detector
Array and
CUBE
Preamplifiers
•
•
16 channel ASIC
Registers
/5
SPI
interface
Premessa: precedenti ASIC per X e g (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
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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.
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Esempio di questo approccio utilizzato in una gamma camera
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
sbRIO
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Use of ARDESIA detection module in SIDDHARTA-2 (Gr.III)
K-
X-ray
Strong interaction studies al low energy
(non-perturbative QCD in strangeness
sector) through precise X-ray spectroscopy
measurements of Kaonic atoms transitions
Nucleus
Kaonic hydrogen
higher
Kα
Kβ
ARDESIA
M. Bazzi et al., “Preliminary
study of kaonic deuterium
X-rays by the SIDDHARTA
experiment at DAFNE”,
Nucl. Phys. A907 (2013)
69-77.
EM value
K-p Kα
Opportunity to upgrade the apparatus with 200cm2 of
detectors from the ARDESIA development
(performances, costs). Possibility of use in similar
experiments at J-PARC (Japan)
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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)
C. Curceanu et al., “Experimental tests of Quantum Mechanics: from
Pauli Exclusion Principle Violation to spontaneous collapse models”,
2012 J. Phys.: Conf. Ser. 361 012006.
ARDESIA
Possibile utilizzo in nuovi
esperimenti di test meccanica
quantistica – es. emissione raggi X
riconducibile al collasso della
funzione d’onda (teoria GRW)
L’utilizzo dei nuovi moduli di rivelazione
SDD sviluppati in ARDESIA, per un totale
di 20-30cm2, 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.
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
Use of ARDESIA module for HIGH energy gamma detection
g ray
source
F. Birocchi, et al., “Position sensitivity of
large volume LaBr3:Ce detectors” NSS
Conference Record (NSS/MIC), 2009
IEEE, Page(s): 1403 – 140.
ARDESIA
vantaggi vs PMTs
• elevata QE
• compattezza, basse tensioni
• risoluzione energetica
• linearità con segnali elevati (>10MeV)
ARDESIA – call INFN gruppo V
g detector
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)
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
Use of ARDESIA module for LOW energy gamma detection
Basic unit for
Gamma cameras for
Nuclear Medicine
(140keV, Tc99)
ARDESIA
50 mm
C.Fiorini, et al., “The HICAM gamma camera”, IEEE
Trans.Nucl.Sci., Vol. 59, n.3, June 2012, Page(s) 537-544.
advantages vs PMTs
• compactness, low voltages
• spatial resolution
• compatibility with magnetic fields
suitable photodetector for multi-modality
SPECT/MRI imaging systems
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Politecnico di Milano and INFN, Italy
Use of ARDESIA in DAFNE-Light soft X-ray beamline
- Wiggler soft x-ray beam line
- Working range 0.9 - 3.0 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.
ARDESIA
Synchrotron
X-ray beam
X-ray
Fluorescence
beam
I0
IT
ARDESIA detector:
• large area (5-10cm2)
• max count rate
(~1Mcps/cm2)
• shorter meas. times
• larger S/N
interest also from
• GILDA (ESRF)
• DIAMOND (UK)
ARDESIA
ARDESIA – call INFN gruppo V
With ARDESIA the chance to study dilute samples using
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X-ray absorption spectroscopy in fluorescence mode
Politecnico di Milano and INFN, Italy
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 g e con architettura di
multiplexing flessibile (lettura ‘sparse’, lettura ‘polling’)
• DAQ versatile per utilizzo modulo ARDESIA nelle diverse applicazioni X e g
•
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 g con scintillatori LaBr3 di grande volume (in
sinergia con attività Gamma di Gr.III) – studio del timing
• implementazione in Anger camera per rivelazione g 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
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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)
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Piano temporale delle attività
Titolo milestone o deliverable
WP
D4.1
documento di specifiche richieste al modulo di rivelazione per le
applicazioni
WP4
M3.1
disegno del modulo di rivelazione e dei relativi componenti
(substrati, interconnessioni, Peltier, mecc.)
WP3
D1.1
dispositivi SDD da I run di produzione
WP1
M2.1
disegno, produzione e caratterizzazione I run di circuiti integrati
WP2
M2.2
sviluppo I prototipo DAQ
WP2
M3.2
realizzazione primo prototipo del modulo di rivelazione
WP3
M4.1
caratterizzazione di primi prototipi di SDD ed elettronica ai LNF
WP4
M4.2
caratterizzazione del primo prototipo del modulo di rivelazione
presso i LNF (gruppo Siddharta, Sinctrotrone)
WP4
M4.3
prime misure del modulo di rivelazione con scintillatori
WP4
M2.3
revisione, produzione e caratterizzazione II run di circuiti integrati
WP2
M3.3
revisione del modulo di rivelazione e della relativa
componentistica
WP3
D1.2
dispositivi SDD da II run di produzione
WP1
M2.4
revisione e sviluppo prototipo finale sistema DAQ
WP2
M3.4
realizzazione prototipo finale del modulo di rivelazione
WP3
M4.4
caratterizzazione del modulo di rivelazione finale presso LNF
(Siddharta, VIP)
WP4
M4.5
istallazione modulo presso il sincrotrone di Frascati e altri
sincrotroni (ESRF) e sperimentazione (es. EXAFS).
WP4
01 - 03
04 - 06
07 - 09
10 - 12
13 - 15
16 - 18
19 - 21
22 - 24
25 - 27
28 30
31 - 33
34 - 36
1° prototipo
prototipo
finale
I-II anno:
sviluppo di ARDESIA
III anno:
sperimentazione, exploitation plan
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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 (5-7cm2), 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, …
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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 LaBr3 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).
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- 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.
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Impatto della ricerca per Horizon 2020
• 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 2020.
• 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.
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Impatto su possibili coinvolgimenti dell’industria
• Disponibilità di moduli di grande area (5-7cm2), 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.
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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 LaBr3 di
grande volume, supervisione del disegno e della
produzione di matrici di rivelatori Silicon Drift Detectors
(sviluppo presso FBK a Trento).
C.Fiorini (PO)
R.Peloso (Assegnista)
P.Busca (Assegnista)
A.Giaz (Assegnista)
B.Nasri (Dottorando)
M.Occhipinti (Dottorando)
P.Trigilio (Dottorando)
Totale
0.6FTE
1.0FTE
1.0FTE
0.5FTE
1.0FTE
1.0FTE
1.0FTE
6.1FTE
A.Balerna (Primo Ricercatore)
E.Bernieri (Ricercatore)
S.Mobilio (PO)
M. Iliescu (Ricercatore)
I.Tucakovich (Dottoranda)
M.Bazzi (Tecnologo)
A.D’Uffizi (Tecnologo)
E.Sbardella (Borsista)
Totale
0.4FTE
0.4FTE
0.4FTE
0.1FTE
0.2FTE
0.2FTE
0.1FTE
0.2FTE
2.0FTE
• 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.
• è prevista la partecipazione formale di TIFPA (Trento) come unità dal II anno
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Spare slides
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Richiesta finanziaria
Unità
I anno
MI-INFN
Consumo
109 (+79 SJ)
Inventario
45
Missioni IT
11
Missioni E
7.5
TOT Unità
172.5 (+79 SJ)
LNF
Consumo
15.5
Inventario
16
Missioni IT
5.5
Missioni E
3.0
TOT Unità
40
TOT progetto
212.5 (+79 SJ)
I costi in tabella sono indicati in keuro.
II anno
III anno
TOT
150 (+79 SJ)
10
10
8
178 (+79 SJ)
20
0
12
12
44
279 (+158 SJ)
55
33
27.5
394.5 (+158 SJ)
20.5
40
5
3.5
69
247 (+79 SJ)
12.5
18.5
5
5
41
48.5
74.5
15.5
11.5
150
544.5 (+158 SJ)
85
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.
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Single-side biasing only (no bonding on back side)
punchthrough
C. Fiorini, A. Longoni, P.
Lechner, IEEE Trans. on
Nucl. Sci., Vol. 47, n° 4, p.
1691-1695, August 2000
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
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