Energy Loss measurements with Monolithic Active pixel sensors (Misure di perdita di energia con sensori a pixel monolitici attivi)

Il progetto ELMA si sviluppa nel campo dei rivelatori di radiazione e particelle per la fisica delle alte energie, le applicazioni di fisica medica e l’osservazione spaziale. Il suo obiettivo principale e’ provare che la tecnologia a pixel monolitici attivi di silicio (MAPS) possa essere utilizzata per la misura dell’energia persa dalle particelle cariche nel sensore, e come strumento per l’identificazione di particella e per misure di dosimetria. Il programma MAECI offre ai proponenti l’opportunità di mettere insieme le rispettive competenze per studiare in maniera sistematica la risposta dei rivelatori MAPS a determinate particelle ed energie. I collaboratori prepareranno e caratterizzeranno campioni MAPS in geometria planare e curva, e li irraggeranno ai fasci di particelle del laboratorio GSI-FAIR. I fasci di ioni sono ideali per misurare il contributo alla dose somministrata ai tessuti biologici dei frammenti nucleari carichi emessi durante le sessioni di adroterapia, come per analizzare la risposta a eventi molto ionizzanti in fisica nucleare e delle particelle, applicazioni per cui questi rivelatori saranno proposti. I gruppi coinvolti analizzeranno la forma e la dimensione dei gruppi di pixel attivati dalla particella incidente in funzione della perdita di energia prevista. Nei sensori in cui l’informazione sull’ampiezza del segnale analogico e’ preservata in uscita come tempo del segnale sopra soglia (“ToT”), sarà estratta una calibrazione accurata entro l’intervallo dinamico di risposta. Il progetto, quindi, implementerà questa capacità di effettuare misure di energia in un prototipo a grande area, basato su sensori MAPS sottili e flessibili interconnessi e alimentati tramite tecniche di manifattura additiva quali la Aerosol Jet Printing, e ne studierà le prestazioni. Grazie all’ottimizzazione della configurazione e ai metodi di analisi sviluppati, si proverà l’efficacia di tale rivelatore applicato ai tracciatori di particelle e allo sviluppo di sistemi di misura per la dosimetria. L’ulteriore risultato del progetto sarà una collaborazione a lungo termine tra i gruppi italiano e tedesco, che permetterà uno scambio reciproco di studenti e di personale scientifico, l’accesso alle infrastrutture scientifiche offerti dalle due istituzioni, ulteriori iniziative comuni di ricerca e pubblicazioni scientifiche.

This project focuses on a key development of radiation and particle detectors for High-Energy Physics (HEP), medical applications and space observation. It aims at proving the Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS), the state-of-the-art technology in the field, as a detector able to measure precisely the energy deposited by charged particles, and as a tool for particle identification and deposited dose measurements. The MAECI Program offers to the proponents the unique possibility to join their competences to systematically study the MAPS response to selected particles and particle energies. The collaborators will prepare and characterize functional MAPS samples, in planar and bent geometries, and irradiate them at the GSI-FAIR ion beam facilities. Ion beams are ideal to measure the contribution of charged nuclear fragments emitted during hadron therapy to the delivered dose on biological tissues, as well as to analyze the response to highly ionizing events in particle and nuclear physics. The teams will analyze the shape and size of the pixel clusters activated by the impinging particles as a function of the predicted deposited energy. When the analog signal amplitude is preserved as time-over-threshold information in the MAPS output, an accurate calibration over the full dynamic range will be extracted. The project will then implement and study the energy measurement capabilities on a large-area prototype, based on thin flexible MAPS sensors interconnected through additive manufacturing. Thanks to the optimized configuration and the developed analysis methods, such a device will be proved as suitable to equip particle trackers, and to develop micro-dosimetry setups for medical applications. The further project outcome will be a long lasting collaboration between the Italian and German Parties, allowing for students and scientific personnel exchange, routinary access to the respective facilities, further joint research initiatives and scientific publications.