Laser-based scintillator crystal emulator for optical testing of SiPM readout systems used in medical imaging

Nowadays, gamma radiation detection represents a widely used technique in several research fields, such as spectroscopy, nuclear medicine and astronomy. State of the art of these technologies consists of detection systems based on a scintillator crystal, coupled to a photodetectors matrix: while the former absorbs incident ray's energy, generating an isotropic beam of visible photons, the latter provides a conversion of the emitted light into current pulses. At the beginning of the last century, the first prototypes of Photomultiplier Tubes (PMTs) were developed; they are optical sensors, with a high sensitivity to visible radiation and, still today, they are used, coupled to a crystal, in several applications based on gamma detection. However, in the last decade, a novel type of solid state detector has been designed, showing more interesting functional properties, if compared to previous PMTs: they are the so called Silicon Photomultipliers (SiPMs). These ones, thanks to their small size and insensitivity to magnetic field, opened new interesting perspectives in nuclear medicine field. Indeed, novel strategies, based on the integration of two different imaging modalities, are the object of many biomedical research projects: in fact, design of medical instruments, integrating SPECT (or PET) and MR modules, is an extremely appealing perspective. Furthermore, thanks to their energy resolution, comparable to that of PMTs, SiPMs are widely used also in spectroscopy applications, coupled to large scintillator crystals (among which, Lanthanum Bromide represents the state of the art in nuclear physics technologies). An accurate calibration procedure of these readout systems results to be of utmost importance: for example, it is necessary to precisely know the magnitude of SiPMs' response as function of the amount of hitting photons; in addition, it could be interesting to evaluate performances and functionalities of the readout electronics, interfaced to the detector. The object of this master thesis work is the development of an optical device, designed to perform characterization measurements of gamma-detection modules, both in the field of nuclear medicine and that of spectroscopy. The system is capable of generating light pulses with precise specifications in terms of duration and intensity: these may be opportunely tuned in order to emulate different scintillator crystals behaviour, when these are coupled to different radioactive sources. Since spectroscopy applications are based on statistical methods, requiring a high repetition rate of events in order to reach the desired level of accuracy, the developed optical device must be capable of repeatedly generating light flashes, whose frequency could be easily adapted to the detection system readout performances. Thus, considering this feature, optical power stabilization is required, preventing undesired output drifts during an experimental procedure. The development of the aforementioned device made possible some important characterization measurements, with a novel gamma detection module for spectroscopy experiments. Light pulses with adjustable amplitude can be generated, ranging from few units to hundreds of thousands of emitted photons. Time duration can be opportunely tuned, obtaining light waveforms with a Full Width at Half Maximum (FWHM) in the order of few tens of nanoseconds (thus comparable with those of many scintillation events). In this thesis, design choices will be presented, together with a detailed description of each block the whole system is made of. Lastly, some characterization procedures, which are currently ongoing in our laboratory and realized thanks to the developed setup, will be presented.

La rivelazione di fotoni gamma è, al giorno d'oggi, una tecnica ampiamente utilizzata in diversi ambiti della scienza: a partire dalla spettroscopia, fino alla medicina nucleare e all'astronomia. Lo stato dell'arte di queste tecnologie consiste nell'utilizzo di sistemi di rivelazione basati sull'accoppiamento di cristalli scintillatori a matrici di fotorivelatori: mentre i primi assorbono l'energia del raggio incidente generando un fascio isotropico di fotoni luminosi, i secondi effettuano una conversione della luce emessa in un impulso di corrente. Nella prima metà del Novecento furono realizzati i primi Tubi Fotomoltiplicatori (PMTs), sensori di radiazione visibile ancora oggi ampiamente utilizzati, accoppiati a cristalli scintillatori, nelle principali applicazioni basate su rivelazione gamma. Negli ultimi anni, tuttavia, sono stati ideati nuovi tipi di rivelatori a stato solido, che presentano caratteristiche di funzionamento più interessanti rispetto ai classici PMTs: i Silicon Photomultipliers (SiPMs). Questi, grazie alle dimensioni ridotte e all'insensibilità al campo magnetico, hanno contribuito allo sviluppo di nuove interessanti prospettive nell'ambito della medicina nucleare. In particolare, strategie di integrazione di diverse tecniche di imaging costituiscono un fronte estremamente attivo della ricerca in ambito biomedicale: la possibilità di sviluppare un macchinario in grado di integrare moduli SPECT (o PET) con moduli di risonanza magnetica, rappresenta una prospettiva estremamente invitante. Inoltre, grazie a una risoluzione energetica confrontabile con quella dei PMTs, i SiPMs trovano largo impiego anche in applicazioni di spettroscopia, accoppiati a cristalli scintillatori di grandi dimensioni (di cui il Bromuro di Lantanio rappresenta lo stato dell'arte nell'ambito della fisica nucleare). Per ciascuna di queste nuove tecnologie di rivelazione gamma, un'accurata calibrazione del sistema di lettura risulta essere di fondamentale importanza: ci si riferisce, per esempio, alla possibilità di conoscere con precisione l'entità della risposta dei SiPMs, in funzione della quantità di luce da cui vengono colpiti; oppure alla possibilità di valutare le performance e le funzionalità dell'elettronica interfacciata al detector. Con il presente elaborato di tesi si propone lo sviluppo di un dispositivo ottico, finalizzato alla caratterizzazione di moduli di rivelazione gamma, sia nell'ambito della medicina nucleare, sia in quello della spettroscopia. Si tratta di un sistema capace di generare impulsi luminosi con specifiche caratteristiche in termini di intensità e durata: queste possono essere opportunamente impostate, in modo da emulare il comportamento di diversi cristalli scintillatori, accoppiati a diverse sorgenti radioattive. Dal momento che le tecniche di spettroscopia sono basate su metodi statistici e richiedono, pertanto, un elevato numero di eventi per raggiungere un certo livello di accuratezza, il dispositivo ottico realizzato deve essere in grado di generare flash di luce in maniera ripetuta, con una frequenza adattabile al rate di lettura dell'elettronica a cui il sensore ottico è interfacciato. Pertanto, dovendo emettere ripetutamente pacchetti di fotoni ugualmente numerosi, un'ulteriore specifica da soddisfare è stata quella di garantire una certa stabilità in termini di potenza ottica media generata. Lo sviluppo del dispositivo sopra descritto ha reso possibili alcune importanti misure di caratterizzazione effettuate con un nuovo modulo di rivelazione gamma, progettato appositamente per applicazioni di spettroscopia. L'intensità degli impulsi luminosi può essere modulata e varia in un range compreso tra le poche unità e le centinaia di migliaia di fotoni. Anche la durata può essere opportunamente impostata, consentendo di ottenere forme d'onda con una FWHM (Full Width at Half Maximum) nell'ordine di poche decine di nanosecondi (quindi confrontabili con quella di molti eventi di scintillazione). In questo elaborato verranno illustrate le scelte tecniche compiute in fase di progetto e ognuno dei blocchi costituenti il sistema sarà dettagliatamente descritto. Infine, verranno presentate alcune delle misure attualmente in corso, effettuabili grazie al risultato di questo lavoro.