Development of a multi-channel Analog Pulse Processing and Data Acquisition system for the TRISTAN detector

The aim of this thesis is the design, development and characterization of the Analog Pulse Processing and Data Acquisition (APP-DAQ) system for the detector readout of the TRISTAN project. Its experimental target is the search of sterile neutrino in the keV-scale, a promising dark matter candidate. To reach this goal, it envisions the operation of 21 detection modules each equipped with a monolithic array of 166-pixel Silicon Drift Detectors exploiting the existing KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) apparatus. Existence of sterile neutrino would manifest as a kink of < 1 ppm in the continuous spectrum of tritium _-decay, proving the presence of a fourth neutrino flavor. The requirements for the 3-year measurement session are a FWHM energy resolution for electrons of 300 eV at 20 keV and a count rate of about 100 kcount/s/pixel. In this framework, the APP-DAQ platform Kerberos and its Data Concentrator Athena were developed. The first is aimed to provide a simple and low-cost multi-channel readout solution in the early phase of the TRISTAN detector development. It is based on three 16-channel programmable analog pulse processor front-end ASICs (SFERA), three high linearity ADCs, and an FPGA. The platform is able to acquire data from up to 48 pixels in parallel, providing also different readout and multiplexing strategies. The experimental characterization of the platform has been carried out both in the laboratories of Politecnico di Milano and in the final experiment Monitor Spectrometer, in Karlsruhe (Germany). Instead, Athena is designed to increase the capabilities of Kerberos, connecting up to 4 of them, reaching the parallel readout of 192 pixels at the same time. Athena platform acts as global trigger and event builder constructed for the readout of the final 166-pixel detector module for TRISTAN. It is based on a Zynq Ultrascale+ MPSoC, exploiting both the FPGA and microprocessor functions. The installation of Athena in the Monitor Spectrometer is expected by the end of 2021. The thesis also addresses the characterization of a new ASIC, SFERATAC. Based on the SFERA ASIC used in Kerberos, 16 Time-to-Amplitude converters were added. In this way, the analog information of the events energy is completed by a timestamp of each individual event arrival, given by its integrated TACs. The timing of events is necessary for charge sharing and backscattering analysis and reconstruction. The systems hereby presented demonstrate that the use of an analog ASIC-based solution instead of a Digital Pulse Processor, represents a viable and scalable processing system at the price of slightly limited versatility and count rate capability, especially for applications with large number of channels or more stringent power consumption constraints.

Lo scopo di questa tesi è la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione del sistema Analog Pulse Processing and Data Acquisition (APP-DAQ) per la lettura del rivelatore del progetto TRISTAN. Il suo obiettivo sperimentale è la ricerca del neutrino sterile nel range del keV, un promettente candidato alla materia oscura. Per raggiungere questo obiettivo, il progetto TRISTAN prevede il funzionamento di 21 moduli di rilevamento, ciascuno dotato di un array monolitico di Silicon Drift Detectors da 166 pixel che sfruttano l'apparato KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) esistente. L'esistenza del neutrino sterile si manifesterebbe come una discontinuità di < 1 ppm nello spettro continuo del decadimento del trizio, dimostrando la presenza di un quarto flavour di neutrino. I requisiti per la sessione di misurazione di 3 anni sono una risoluzione energetica FWHM per gli elettroni di 300 eV a 20 keV e una velocità di conteggio di circa 100 kcount/s/pixel. In questo quadro sono stati sviluppati la piattaforma APP-DAQ Kerberos e il suo Data Concentrator Athena. Il primo ha lo scopo di fornire una soluzione di lettura multicanale semplice ed a basso costo nella fase iniziale dello sviluppo del rivelatore TRISTAN. Si basa su tre ASIC front-end con processore di impulsi analogico programmabile a 16 canali (SFERA), tre ADC ad alta linearità e una FPGA. La piattaforma è in grado di acquisire fino a 48 pixel in parallelo, fornendo anche diverse strategie di lettura e multiplexing. La caratterizzazione sperimentale della piattaforma è stata effettuata sia nei laboratori del Politecnico di Milano che nel Monitor Spectrometer dell'esperimento finale, in Karlsruhe (Germania). Athena è invece pensato per aumentare le capacità di Kerberos, collegandone fino a 4, raggiungendo la lettura parallela di 192 pixel contemporaneamente. La piattaforma Athena funge da trigger globale e costruttore di eventi per la lettura del modulo rivelatore finale da 166 pixel per TRISTAN. Si basa su un Zynq Ultrascale+ MPSoC, sfruttando sia le funzioni FPGA che quelle del microprocessore. L'installazione di Athena nel Monitor Spectrometer è prevista entro la fine del 2021. La tesi affronta anche la caratterizzazione di un nuovo ASIC, SFERA-TAC. Sulla base dell'ASIC SFERA utilizzato in Kerberos, sono stati aggiunti 16 convertitori Time-to-Amplitude. In questo modo, l'informazione analogica dell'energia degli eventi è completata da un timestamp di arrivo di ogni singolo evento, data dai suoi TAC integrati. La tempistica degli eventi è necessaria per l'analisi e la ricostruzione del backscattering e del charge sharing. I sistemi qui presentati dimostrano che l'uso di una soluzione analogica basata su ASIC invece di un Digital Pulse Processor, rappresenta un sistema di elaborazione praticabile e scalabile al prezzo di versatilità e capacità di conteggio leggermente limitate, specialmente per applicazioni con un gran numero di canali o vincoli di consumo energetico più rigorosi.