Development of scintillation detectors based on silicon photomultipliers for high-energy gamma-ray applications

The Dissertation represents a new challenge of Silicon PhotoMultiplier (SiPM) application to high-energy gamma-ray detection with scintillators in nuclear physics experiments and Prompt Gamma Imaging (PGI) in proton therapy. Although SiPMs are considered a promising alternative to the PhotoMultiplier Tubes (PMTs) in many medical imaging applications, more efforts are mandatory to introduce SiPM technology also into the field of high-energy gamma-ray detection (from tens of keV to tens of MeV). In this context, it is mandatory an optimization of the detector and the front-end electronics to face the wide energy range and to get high spectroscopic performances and imaging capability comparable to that measured with PMTs. Therefore, the thesis deals with the design, development and experimental validation of a multichannel SiPMs-based gamma-ray detection module of about 100 electronic channels which allows to read large LaBr3:Ce scintillators (1" x 1" and 2" x 2") for nuclear physics experiments, achieving both spectroscopic (measured energy resolution of 3.2% at 662 keV) and position sensitivity results in line with PMT standards and the best one within published results. Moreover, the photodetector was modified for PGI, proposing a pixelated structure of LYSO crystals which utilizes the multichannel readout developed earlier. The experimental results demonstrate that the designed photodetection module is suitable for prompt gammas detection in terms of spectroscopic performances, position sensitivity and energy range.

La presente attività di Dottorato rappresenta una nuova sfida nell’utilizzo della tecnologia Silicon PhotoMultiplier (SiPM) per la rivelazione di raggi gamma ad alta energia con scintillatori in esperimenti di fisica nucleare e Prompt Gamma Imaging (PGI) nella terapia protonica. Sebbene i SiPM siano considerati un'alternativa promettente ai tubi fotomoltiplicatori (PMT) in molte applicazioni di imaging medicale, sono necessari ulteriori sforzi per introdurre la tecnologia dei SiPM anche nel campo della rivelazione di raggi gamma ad alta energia (da decine di keV a decine di MeV). In questo contesto, risulta necessaria l'ottimizzazione del rivelatore e dell'elettronica di front-end per far fronte all’ampio range energetico e ottenere alte prestazioni in termini di spettroscopia e capacità di imaging paragonabili a quelle misurate con i PMT. Pertanto, la tesi riguarda la progettazione, lo sviluppo e la validazione sperimentale di un modulo di rivelazione di raggi gamma multicanale basato su SiPM di circa 100 canali elettronici che consente di leggere grandi scintillatori LaBr3:Ce (1" x 1" e 2" x 2") per esperimenti di fisica nucleare, ottenendo sia risultati di spettroscopia (risoluzione energetica del 3.2% misurata a 662 keV) sia risultati di sensibilità di posizione in linea con gli standard dei PMT. Inoltre, il fotorivelatore è stato modificato per applicazioni di PGI, proponendo una struttura pixelata di cristalli LYSO che utilizza la lettura multicanale sviluppata in precedenza. I risultati sperimentali dimostrano che il modulo di fotorivelazione progettato è adatto per la rivelazione di prompt gamma in termini di prestazioni spettroscopiche, sensibilità di posizione e range energetico.