Development of an innovative hybrid single-photon imaging detector based on a Timepix4 CMOS ASIC embedded as pixelated anode

In questa tesi viene presentato un innovativo rivelatore a singolo fotone, basato su un tubo a vuoto contenente un fotocatodo, una Micro Channel Plate e un circuito integrato (ASIC) Timepix4 CMOS come anodo di lettura. Questo rivelatore è stato sviluppato per rilevare fino a 1 miliardo di fotoni al secondo su un'area attiva di 7 cm^2, ottenendo contemporaneamente un'eccezionale risoluzione spaziale di 5-10 µm e una risoluzione temporale inferiore a 50 ps. L'ASIC Timepix4, che dispone di circa 230 mila pixel dotati di elettronica di front-end analogica e digitale, opera su un'architettura data-driven e consente la trasmissione di dati con una larghezza di banda che raggiunge i 160 Gb/s. La configurazione e la lettura del Timepix4 sono controllate da elettronica esterna basata su FPGA, utilizzando in particolare un sistema DAQ SPIDR4 o un sistema DAQ custom sviluppato dall'INFN di Ferrara. Vengono presentati il sistema DAQ, il software DAQ e il software di analisi sviluppati. È stata eseguita la caratterizzazione di un assembly Timepix4_v2 bondato a un rivelatore planare n-on-p in silicio dello spessore di 100 µm. La caratterizzazione presentata comprende la calibrazione della carica e la stima della risoluzione della carica, nonché la stima delle prestazioni di temporizzazione. È stata utilizzata una configurazione laser per illuminare il sensore e generare coppie elettrone-lacuna nel silicio, controllando la quantità di carica, il tempo e la posizione del segnale generato. La risoluzione temporale misurata a livello del singolo pixel è risultata 107 ps, tenendo conto anche del contributo del silicio. Se si considerano i cluster di pixel, la risoluzione temporale migliora fino a meno di 50 ps. Verranno inoltre presentati i test di qualità del supporto ceramico, che consistono in misure meccaniche ed elettriche, nonché in una diagnostica del funzionamento di base dell'ASIC Timepix4 montato sulla ceramica. Inoltre, verrà discussa la procedura di caratterizzazione dei primi prototipi di fototubi. Essa comprende le misure di dark count rate (DCR) e del guadagno, nonché la stima della risoluzione temporale. Attualmente è stato testato un solo prototipo; la caratterizzazione e il confronto degli altri prototipi sono in corso. Per quanto riguarda il prototipo testato, sono state ottenuti gli andamenti previsti per il dark count rate e il guadagno. Il dark count rate risulta essere compreso tra ~1 Hz/cm^2 e ~30 Hz/cm^2, a seconda del bias del MCP. Il guadagno varia da O(10^3) a O(10^5), a seconda del guadagno del MCP. È stata osservata una distribuzione spaziale del dark count rate non uniforme nella matrice e sono in corso ulteriori studi per comprenderne meglio l'origine. La risoluzione temporale è stata stimata con un metodo analogo a quello utilizzato per stimare quella dell'assembly con rivelatore in silicio. La risoluzione temporale del singolo pixel ottenuta è (107±6) ps, mentre la risoluzione temporale del cluster raggiunge (88±5) ps. Infine, viene descritto un testbeam organizzato per caratterizzare i fototubi sviluppati con un setup Cherenkov.

An innovative single-photon detector is presented, based on a vacuum tube containing a photocathode, a microchannel plate, and a Timepix4 CMOS application-specific integrated circuit (ASIC) as its readout anode. This detector has been developed to detect up to 1 billion photons per second over a 7 cm^2 active area, while achieving exceptional position resolution of 5-10 µm and timing resolution below 50 ps. The Timepix4 ASIC, which features approximately 230 thousand pixels equipped with both analog and digital front-end electronics, operates on a data-driven architecture, and it allows data transmission with bandwidth reaching up to 160 Gb/s. The configuration and readout of the Timepix4 are controlled by FPGA-based external electronics, either the SPIDR4 DAQ system or the custom DAQ system developed by INFN Ferrara. The DAQ system, the DAQ software and the analysis software developed are presented. A characterization of a Timepix4_v2 assembly bonded to a 100 µm thick planar n-on-p Si detector has been performed. The presented characterization includes charge calibration and charge resolution estimation, as well as estimation of the timing performance. A picosecond laser setup has been used to illuminate the sensor and generate electron-hole pairs in the silicon bulk, controlling the amount of charge, and the time and position of the generated signal. The timing resolution per single pixel hit was measured at 107 ps, taking into account the silicon's contribution as well. When considering pixel clusters, the timing resolution improves to below 50 ps. The ceramic carrier quality tests will be presented too, consisting of mechanical and electrical measurements, as well as a diagnostic of the basic operation of the Timepix4 ASIC mounted on the ceramic. Furthermore, the characterization procedure of the first prototypes of the phototubes will be discussed. It includes dark count rate and gain measurements, as well as timing resolution estimation. Currently, a single prototype has been tested; the characterization and comparison of the other prototypes is ongoing. Regarding the prototype tested, the expected dark count rate and gain trends have been obtained. The dark count rate results to be in the range between ~1 Hz/cm^2 and ~30 Hz/cm^2, depending on the MCP bias. The gain ranges from O(10^3) to O(10^5), depending on the MCP bias. A non-uniform dark count structure has been observed across the matrix, and further studies are ongoing to better understand its source. The timing resolution has been estimated with a method analogous to the one used to estimate the one of the assembly bonded to a Si detector. The single pixel timing resolution obtained is (107±6) ps, while the cluster timing resolution reaches (88±5) ps. Eventually, a testbeam organized to characterize the developed phototubes with a Cherenkov setup is described.