Strumentazione ed apparati sperimentali innovativi per misure risolte in tempo e spazio su singole particelle

The design of cutting-edge instrumentation and its integration into existing experimental setups are fundamental aspects for achieving state-of-the-art measurements. The improvement introduced through these tools not only aims to enhance the quality of existing measurements but sometimes also enables the development of completely innovative measurement techniques. These techniques have the capacity to provide scientific information that is otherwise impossible to obtain. To ensure this, in addition to a thorough study of all the elements composing the apparatus, in order to identify and refine any potential issues, a profound understanding of the experimental aspects and the physical phenomena under investigation is necessary. Subsequently, following an in-depth study of the scientific case, the attainment of such goals is made possible through careful, tailored design of hardware, firmware, and software components. Specifically, this research has focused on the development of two instruments: a time-to-digital converter for coincidence measurements and an add-on instrument for probe-scanning microscopes. Although the discussed instruments and setups belong to completely different domains, the architecture and optimization methodology employed are the same. In fact, the starting point of this work is the engineering of existing measurement setups with the aim of improving the quality of results, the management interface, and the processing algorithms. This approach makes it possible to conduct experiments that would otherwise be unfeasible with existing instrumentation. Following the characterization of the instruments using specifically designed measurement setups, this work presents innovative techniques for space and time-resolved detection of individual particles. For the first instrument, these techniques materialize in a time-to-digital converter that not only improves the performance parameters of the instrument but also enables two distinct approaches. The first technique involves an experimental approach allowing the combination of phosphor screens with special coatings and delay-line detectors to create a flexible apparatus capable of easily accommodating different imaging systems. The second technique, on the other hand, harnesses the capabilities of gallium arsenide solid-state devices to amplify signals generated by individual high-energy photons, coupled with acquisition based on delay lines. The second instrument significantly enhances fast imaging techniques in probe microscopy instruments and allows for tracking the movements of individual particles on the surface of a sample with much higher speed and accuracy compared to all previous versions. These instruments have been validated in existing measurement setups to provide a comparison with the previous electronics, and the obtained measurements have been submitted as articles to various internationally renowned journals.

La progettazione di strumentazione all’avanguardia e la sua integrazione all’interno di apparati sperimentali esistenti sono aspetti fondamentali per poter conseguire misure allo stato dell’arte. Il miglioramento introdotto grazie a questi strumenti non si limita esclusivamente a migliorare la qualità delle misure già possibili, bensì talvolta permette di dare origine a tecniche di misura completamente innovative, le quali sono in grado di fornire informazioni scientifiche impossibili da ottenere in altri modi. Acciocché si verifichi, oltre a uno studio approfondito di tutti gli elementi che compongono l’apparato, in maniera tale da localizzare e perfezionare eventuali criticità, è necessaria una profonda comprensione degli aspetti sperimentali e dei fenomeni fisici che si intende studiare. Successivamente, in seguito allo studio approfondito del caso scientifico, il raggiungimento di tale traguardo è reso possibile grazie ad una attenta progettazione ad hoc dei componenti hardware, del firmware e del software. Nello specifico, questa ricerca è stata incentrata sullo sviluppo di due strumenti: un convertitore tempo-digitale per misure di coincidenza ed uno strumento di add-on per strumenti a scansione di sonda. Sebbene gli strumenti e gli apparati discussi appartengano ad ambiti completamente diversi, l’architettura e la metodologia di ottimizzazione utilizzate sono le stesse. Infatti, il punto di partenza di questo elaborato è proprio l’ingegnerizzazione di apparati di misura già esistenti con l’obiettivo di migliorarne la qualità dei risultati, l’interfaccia di gestione e gli algoritmi di elaborazione, rendendo possibili esperimenti altrimenti non effettuabili con strumentazione già esistente. A seguito quindi di una caratterizzazione degli strumenti grazie a setup di misura realizzati ad-hoc, in questo elaborato vengono presentate le tecniche innovative per la rivelazione risolta in spazio e tempo di singole particelle. Per il primo strumento queste si sono concretizzate in un convertitore tempo-digitale che, oltre a migliorare i parametri di merito di questo strumento, consente due tecniche del tutto distinte. La prima tecnica riguarda un approccio sperimentale che permette la combinazione di schermi al fosforo con speciali rivestimenti e rivelatori a linea di ritardo per la creazione di un apparato flessibile che può ospitare facilmente diversi sistemi di imaging. La seconda tecnica invece unisce le potenzialità di dispositivi allo stato solido in arseniuro di gallio per l’amplificazione del segnale generato da singoli fotoni ad alte energie con l’acquisizione basata sempre su linee di ritardo. Il secondo strumento, invece, oltre a migliorare significativamente le tecniche di fast imaging con strumenti di microscopia a sonda, consente il tracciamento dei movimenti di singole particelle sulla superficie di un campione con velocità e accuratezza assai migliori rispetto a tutte le precedenti versioni. Entrambi gli strumenti sono stati validati in apparati di misura già esistenti in modo da avere un confronto con l’elettronica precedente e le misure così ottenute sono state sottoposte come articoli a diverse riviste di rilievo internazionale.