Sviluppo di un rivelatore CMOS per Soft X-ray per applicazioni con sorgenti FEL

New generation Synchrotron radiation sources and Free Electron Lasers allow revolutionary science with EUV to X-ray photons; this research calls for innovative photon imaging detectors. Most urgent requirements include high frame rates, very large dynamic range, single-photon counting capability with low probability of false positives, and multi megapixels detectors. The PERCIVAL project is a worldwide collaboration between many facilities targeted at the development of CMOS based detectors compatible with these features. Every stage of the development, from the fabrication technology to the control electronics, requires extraordinary efforts and new technological approaches. This thesis documents experimental results (Low Noise, High Dynamic Range, Low Energy photon sensitivity, QE) using tests prototypes as well as TCAD simulations to better understand the physic of the single pixel. Two different models of the charge collection dynamic in such structures in order to avoid a very time consuming simulations. The development of the system hardware and the characteristics of the final system are provided too. Firsts images taken with visible light conclude this work.

Le sorgenti di luce di sincrotrone e le nuove sorgenti a Laser ad elettroni liberi (FEL) hanno aperto una nuova frontiera nell'indagini scientifiche che utilizzano radiazioni elettromagnetiche nello spettro del EUV e/o raggi X. Per poter lavorare al meglio con queste sorgenti di luce e apprezzarne tutte le potenzialità derivanti, sono necessari dei rivelatori d'immagine ottimizzati per tali radiazioni. Tra le principali caratteristiche che questi strumenti devono avere ci sono: high frame rates, very large dynamic range, single-photon counting capability with low probability of false positives, and megapixels detectors. Il progetto PERCIVAL è frutto di una collaborazione internazionale tra vari enti che ha l'obbiettivo di realizzare un rivelatore CMOS compatibile con queste sorgenti di luce. La realizzazione di un dispositivo di questo tipo richiede innumerevoli competente tecniche ed in particolare lo sviluppo di soluzioni tecnologiche all'avanguardia. In questa tesi viene descritto lo sviluppo di tale strumento mostrando i risultati ottenuti dai test su dei prototipi, l’analisi di alcune caratteristiche del rivelatore con simulazioni TCAD, lo sviluppo di modelli numerici degli elementi fotosensibili e lo sviluppo dell'elettronica di controllo del sensore. In conclusione, verranno mostrate le primi immagine prese dal rivelatore finale.