MIRA : a low-noise ASIC with 35 um pixel pitch for the readout of microchannel plates

Spectroscopic observations in the far and extreme ultraviolet (FUV/EUV) spectral regions are of great interest in various scientific fields, such as Solar Physics, interstellar medium physics, and planetary exospheres studies. The PLanetary Ultraviolet Spectrometer (PLUS) project aims at developing a novel dual-channel FUV/EUV imaging spectrometer working in the 55 - 200 nm spectral range, characterized by improved detection limit, shorter observations integration time, and unprecedented performance in terms of dynamic range. The detector is the critical component in achieving these goals. In this framework, the thesis aims to design, develop, and characterize an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) readout system with on-chip photon counting capability to be coupled with a microchannel plate (MCP) as the PLUS photon counting detector. The first prototype of MIRA (MIcrochannel plate Readout ASIC) has been designed featuring an integrated 2D anode array and a compact pixel size (35 x 35 μm2) for a total of 32 x 32 pixels in a 2 x 2 mm2 ASIC area. MIRA is able to detect the cloud of electrons generated by each photon interacting with the MCP, sustaining high local and global count rates to fully exploit the MCP intrinsic dynamic range with low dead time. The main rationale that guided the electronics design is reducing the input Equivalent Noise Charge (ENC) to allow operations with lower MCP gains, thus improving its lifetime, a crucial aspect for long missions in space. MIRA features two selectable analog processing times (130 or 260 ns), granting a count rate per pixel of 100 kcps and an Equivalent Noise Charge ENC = 20 e-. A charge sharing correction logic is implemented inside each pixel to achieve high spatial resolution. Thus, a spatial resolution limited to the pixel size (35 μm) is granted, even in the case of charge sharing. The thesis also addresses the design of the electronics readout system of the PLUS photon counting unit. It comprises the PLUS counting detector, i.e., MIRA coupled with a Chevron MCP, and three Printed Circuit Boards (PCBs) to bias, configure, and readout the detector. Moreover, a GUI has been developed to interface with the photon counting unit. The experimental characterization of MIRA carried out in the laboratory of Politecnico di Milano has shown similar results to simulations. Thus, it may be concluded that the features mentioned above have been achieved. In addition, the last thesis section deals with the design of the second prototype of MIRA. This version aims to solve some errors, mainly regarding the pixel digital section of the first prototype.

Le osservazioni spettroscopiche in regioni spettrali dell'ultravioletto lontano e dell'ultravioletto estremo (FUV/EUV) sono di grande interesse in diversi campi scientifici, come la fisica solare, la fisica del mezzo interstellare e lo studio delle esosfere planetarie. Il progetto PLanetary Ultraviolet Spectrometer (PLUS) mira a sviluppare un nuovo spettrometro di imaging FUV/EUV a doppio canale operante nell'intervallo spettrale 55-200 nm, caratterizzato da un miglior limite di rivelazione, da un tempo di integrazione delle osservazioni più breve e da prestazioni senza precedenti in termini di range dinamico. Il rivelatore è il componente critico per il raggiungimento di questi obiettivi. In questo contesto, la tesi si propone di progettare, sviluppare e caratterizzare un sistema di lettura ASIC (Application Specific Integrated Circuit) con capacità di conteggio dei fotoni on-chip da accoppiare ad un microchannel plate (MCP) in qualità di rivelatore PLUS per il conteggio dei fotoni. Il primo prototipo di MIRA (MIcrochannel plate Readout ASIC) è stato progettato con un array 2D di anodi integrati ed una dimensione compatta dei pixel (35 x 35 μm2) per un totale di 32 x 32 pixel in un ASIC con area di 2 x 2 mm2. MIRA è in grado di rivelare la nube di elettroni generata da ogni fotone che interagisce con l'MCP, sostenendo elevati tassi di conteggio locali e globali per sfruttare appieno il range dinamico intrinseco dell'MCP con basso tempo morto. La ratio che ha guidato la progettazione dell'elettronica è stata quella di ridurre la carica di rumore equivalente (ENC) in ingresso per consentire operazioni con guadagni più bassi dell'MCP, migliorando così la sua durata di vita, un aspetto cruciale per le lunghe missioni nello spazio. MIRA presenta due tempi di elaborazione analogica selezionabili (130 o 260 ns), garantendo una velocità di conteggio per pixel di 100 kcps e una carica di rumore equivalente ENC = 20 e-. Per ottenere un'elevata risoluzione spaziale, all'interno di ciascun pixel è stata implementata una logica di correzione della condivisione della carica. In questo modo, viene garantita una risoluzione spaziale limitata alla dimensione del pixel (35 μm), anche in caso di condivisione della carica. La tesi tratta anche la progettazione del sistema elettronico di lettura dell'unità PLUS di conteggio dei fotoni. Esso comprende il rivelatore PLUS di conteggio, cioè MIRA accoppiato con un MCP Chevron, e tre schede a circuito stampato (PCB) per il bias, la configurazione e la lettura del rivelatore. Inoltre, è stata sviluppata una GUI per interfacciarsi con l'unità di conteggio dei fotoni. La caratterizzazione sperimentale di MIRA effettuata nel laboratorio del Politecnico di Milano ha mostrato risultati simili alle simulazioni. Si può quindi concludere che le caratteristiche sopra menzionate sono state raggiunte. Inoltre, l'ultima sezione della tesi riguarda la progettazione del secondo prototipo di MIRA. Questa versione mira a risolvere alcuni errori, soprattutto per quanto riguarda la sezione digitale dei pixel del primo prototipo.