Design, Testing and Calibration of the GAPS Experiment Si(Li) Tracker Readout ASIC: From the First Flight Campaign Toward the Second Mission Upgrade

The General Antiparticle Spectrometer is a balloon-borne experiment designed to perform three long-duration flights from Antarctica to search for low-energy cosmic antinuclei, in particular antideuterons, as an indirect probe of dark matter. Its detection method is based on the formation and decay of exotic atoms, identified through the emission of characteristic x-rays and the subsequent annihilation into secondary particles. At the core of the instrument is the silicon tracker, composed of lithium-drifted silicon detectors operated at −40°C and read out by a custom application-specific integrated circuit, SLIDER32, implemented in 180 nm CMOS technology. This thesis reports on the integration, calibration, and validation of the SLIDER32-based tracker readout electronics. Laboratory characterization of a single tracker module with an Americium-241 source and cosmic muons was complemented by calibration and testing of the full tracker in its flight configuration, leading to the first x-ray spectrum acquisition from a Cadmium-109 source. These activities formed part of the integration and testing phase of the experiment for the first flight, which culminated in the complete instrument assembly and validation during the Antarctic campaign of 2024. Building on this experience, the work introduces the design and characterization of a new prototype integrated circuit conceived as an upgrade to SLIDER32: the ANTARES4 chip, fabricated in 65 nm CMOS technology. The device integrates eight analog channels up to the shaping stage and implements innovative solutions for dynamic signal compression exploiting dynamic-threshold MOS transistors, together with an improved detector leakage current compensation circuit at the preamplifier input. Its laboratory characterization provides a first validation of these design choices, laying the foundations for the next-generation tracker readout system to be adopted in the second flight of the experiment.

Il General Antiparticle Spectrometer è un esperimento a pallone stratosferico concepito per effettuare tre voli di lunga durata dall’Antartide, con l’obiettivo di ricercare antinuclei cosmici a bassa energia, in particolare antideuteroni, come canale indiretto per lo studio della materia oscura. La tecnica di rivelazione si basa sulla formazione e sul decadimento di atomi esotici, riconoscibili attraverso l’emissione di raggi x caratteristici e la successiva annichilazione in particelle secondarie. Al cuore dello strumento si trova il tracciatore al silicio, costituito da rivelatori al silicio drogati al litio, operati a –40°C e letti da un circuito integrato dedicato, denominato SLIDER32, realizzato in tecnologia CMOS a 180 nm. La tesi descrive le attività di integrazione, calibrazione e validazione dell’elettronica di lettura del tracciatore basata su SLIDER32. La caratterizzazione in laboratorio di un modulo del tracciatore, condotta con una sorgente di Americio-241 e con muoni cosmici, è stata affiancata da prove di calibrazione e test dell’intero tracciatore nella configurazione prevista per il primo volo, che hanno portato alla prima acquisizione di uno spettro a raggi x da una sorgente di Cadmio-109. Queste attività hanno fatto parte della fase di integrazione e test dell’esperimento, culminata con l’assemblaggio completo dello strumento e la sua validazione durante la campagna antartica del 2024. Sulla base di questa esperienza è stato progettato e realizzato un nuovo circuito integrato, sviluppato come evoluzione di SLIDER32: il chip ANTARES4, fabbricato in tecnologia CMOS a 65 nm. Il dispositivo integra otto canali analogici fino allo stadio di shaping e introduce soluzioni innovative per la compressione dinamica del segnale mediante transistori MOS a soglia dinamica, insieme a un circuito migliorato di compensazione della corrente di leakage all’ingresso del preamplificatore. La caratterizzazione di laboratorio ha fornito una prima validazione di queste soluzioni progettuali, ponendo le basi per il sistema di lettura di nuova generazione che sarà impiegato nel secondo volo dell’esperimento.