The CLAS12 RICH readout electronics: design, development and test

One of the world leading facilities for the study of nature at nuclear and sub-nuclear scales is the Thomas Jefferson Laboratory in Virginia, USA (JLAB) where the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) has been recently upgraded to reach 12 GeV energy. The main objective of CEBAF and its four experimental halls is to investigate how the stable properties of the matter, like the semi-integer spin of the nucleons, can be explained in terms of degrees of freedom of its constituents, quarks and gluons. An innovative Ring Imaging Cherenkov detector (RICH) has been designed for the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS12) to improve the identification of the charged hadrons produced in the final state of scattering experiments and help in the representation of the complex multi-dimensional structure of the current model. The thesis describes the CLAS12 baseline particle identification system and introduces the new RICH module together with its layout and its operating principles. The dissertation highlights the innovative technological aspects adopted to satisfy the physics requirements at a reasonable cost, in a timely manner and to fit in spectrometer with minimum impact. In particular the thesis treats the single photon sensitive Multi Anode PhotoMultiplier Tubes (MAPMT) and associated custom electronics that has been developed in the thesis project and whose validation has constituted the largest effort of the thesis work. The description of the analog and digital signal processing circuits proceeds the presentation of the functionalities of system the description of its integration in the CLAS12 data acquisition architecture. The tests conducted on bench with pulse generators demonstrate an excellent sensitivity for signal of amplitude just a few percent of the typical photoelectron signal. Moreover they have been used to develop time response correction algorithms that allow to achieve one nanosecond precision over the entire charge interval spanned by the light sensor output. Further tests with MAPMTs and a laser source allowed to verify the full chain performance, optimize the procedures and complete the development of the software library. The obtained results demonstrate the capability of the system to access the detector phenomenology with great detail (e.g. optical crosstalk which is the charge spill over between adjacent pixels). Those peculiarities will be exploited during the life cycle of the experiment to monitor the status of the detector and calibrate the configuration parameters using the dark current of the tubes. The argument are presented in increasing complexity order with the last part dedicated to real condition testing. The results of the validation campaign conducted to asses the radiation tolerance of the electronics board as well the as small scale complete experiment with RICH prototypes are presented in the end. In conclusion the readout electronics of the new RICH of CLAS12 was designed, implemented and validate for its scope. For its compactness, sensitivity and time resolution it can be potentially interesting for other imaging application like the development of new detectors and nuclear medicine.

Una delle pi\`u importanti strutture al mondo per lo studio della natura su scala nucleare e subnucleare \`e il Laboratorio Thomas Jefferson, situato in Virginia negli Stati Uniti d'America (JLAB), il quale ha recentemente rinnovato il suo acceleratore di elettroni (CEBAF, Continuous Electron Beam Accelerator) per raggiungere l'energia di 12 GeV/c. Il principale obiettivo del CEBAF e delle sue quattro sale sperimentali \`e quello di descrivere come le propriet\`a stabili della materia nucleare, quali lo spin semi-intero dei nucleoni, possano essere spiegate in termini dei gradi di libert\`a dei suoi costituenti quali quark e gluoni. Un innovativo rivelatore ad anelli cherenkov (RICH) \`e stato progettato per lo spettrometro di larga accettanza del CEBAF (CLAS12) allo scopo di migliorare l'identificazione adroni carichi presenti nello stato finale delle degli esperimenti di diffusione e contribuire cos\'i alla complessa rappresentazione multidimensionale del modello attuale. La tesi descrive l'apparato basilare di CLAS12 dedito alla identificazione delle particelle e presenta il nuovo RICH insieme alla sua struttura e ai suoi principi di funzionamento. La trattazione mette in evidenza gli aspetti tecnologici innovativi, adottati per soddisfare i requisiti di fisica in modo affidabile, ad un costo accettabile e in tempi compatibili con le operazioni gi\`a calendarizzate. In particolare si sofferma su raffinate valvole fotomoltiplicatrici multianodiche sensibili al singolo fotone (MAPMT) e sulla elettronica di lettura loro associata che \'e stata appositamente sviluppata nell'ambito della progetto di tesi e la cui validazione ha costituito la maggior mole del lavoro. La descrizione dei circuiti di processamento del segnale, sia analogici che digitali, precede la presentazione delle funzionalit\`a del sistema e la descrizione di come questo sar\`a integrato nella sofisticata architettura di acquisizione dati di CLAS12. Le prove condotte su banco con generatori di impulsi dimostrano una eccellente sensibilit\`a per segnali la cui ampiezza sia grande solo qualche percento di quella del segnale medio corripondente al singolo fotone. Inoltre sono state utili a sviluppare gli algoritmi di correzione della risposta temporale la cui precisione pu\`o raggiungere il nanonsecondo sull'intero intervallo in carica prodotto dai sensori. Ulteriori prove con i MAPMT ed una sorgente laser hanno permesso di verificare le prestazioni dell'intera catena, consentito di ottimizzare le procedure e di portare a compimento lo sviluppo della libreria software. I risultati ottenuti dimostrano la capacit\`a del sistema di accedere alla fenomenologia dei sensori con grande dettaglio (e.g. il crosstalk ottico ovvero la separazione della valanga elettronica tra pixel vicini). Tali peculiari\`a saranno sfruttate durante il ciclo di vita dell'esperimento per controllare lo stato del rivelatore e calibrare i parametri di configurazione utilizzando anche le emissioni termiche dette correnti di buio. Gli argomenti sono presentati con ordine di complessit\`a crescente con l'ultima parte della tesi dedicata alle prove in condizioni reali. I risultati della campagna di validazione condotta per stabilire la tolleranza alle radiazione delle schede elettroniche cos\'i come i veri e propri esperimenti realizzati con prototipi del RICH di piccola scala sono presentati alla fine. In conclusione la elettronica sviluppata per il nuovo RICH di CLAS12 \`e stata progettata, realizzata e validata per il suo scopo. Le sue caratteristiche di compattezza, sensibilit\`a e precisione temporale sono potenzialmente interessanti per altre applicazione di imaging in settori diversi quali lo sviluppo di nuovi rivelatori e la medicina nucleare.