Integrated readout systems for particle detectors

Increasing demand for high rate detectors in modern High Energy Physics experiments is generating many technological challenges. In particular, developments in particle detector technology increased requirements on electronic readout systems and fostered research on integrated readout systems. As a widely used technology, CMOS integrated circuits are a common choice for readout chip. In this thesis some of the major challenges in detector readout are analyzed while reporting novel experimental results on an existent prototype. A new readout system, exploiting a new double threshold signal processing technique, is also presented. The first part of this thesis presents experimental results obtained with GEMINI chip, a readout chip for Triple-GEM detectors fabricated in CMOS 180 nm. After an analysis of major challenges in Triple-GEM readout, results from chip characterization are presented. On detector tests are also reported describing methodologies developed specifically for this system. Furthermore, results from an irradiation test of GEMINI are presented, with an analysis of TID effects on Time-over-Threshold performance. The second part of this thesis presents a new readout chip, FTfe, designed in CMOS 65 nm process. This readout system has been specifically designed for Muon Drift Chambers taking advantage of the know-how acquired during experimental work on GEMINI. After a theoretical analysis of the signal processing technique proposed, the implementation of FTfe is presented in detail. Results from transistor level simulations are eventually presented.

La crescente necessità di detector ad alto rate nei moderni esperimenti di Fisica delle Alte Energie genera molte sfide tecnologiche. In particolare, gli sviluppi nella tecnologia dei detector ha aumentato i requisiti sui sistemi di readout e stimolato la ricerca su sistemi integrati di readout. I circuiti integrati CMOS sono largamente diffusi e sono una scelta comune per i chip di readout. In questa tesi vengono analizzati alcune delle maggiorni criticità nel readout di detectors mentre vengono riportati nuovi risultati sperimentali riguardanti prototipi esistenti. Viene inoltre presentato un nuovo sistema di reaout che sfrutta una nuova tecnica di signal processing a doppia soglia. La prima parte di questa tesi presenta risultati sperimentali ottenuti con il chip GEMINI, un chip di readout per rivelatori Triple-GEM fabbricato in CMOS 180 nm. Dopo una analisi delle maggiori sfige nel readout di questi detector, vengono presentati i risultati ottenuti dalla caratterizzazione del chip. Vengono inoltre riportati i risultati di test on detector descrivendo le metodologie sviluppate per questo sistema. Inoltre, vengono presentati i risultati di un test di irraggiamento di GEMINI, con una analisi degli effetti di TID sulla performance di Time ove Threshold. La seconda parte di questa tesi presenta un nuovo chip di readout, FTfe, sviluppato specificamente per camere a muoni, sfruttando il know-how acquisito dalle attività sperimentali su GEMINI. Dopo un analisi teorica della tecnica di signal processing proposta, viene presentata in dettaglio l'implementazione del sistema. Infine vengono presentati i risultati da simulazioni a livello transistor.