A compact detection module based on SiPMs, readout ASIC and DAQ : hardware and firmware development

Nowadays Gamma radiation detection finds applications in many different fields: Spectroscopy measurements are of particular interest for nuclear physics and astrophysics applications while imaging techniques opened new possibilities in medicine, especially in medical diagnostics, enabling technologies like positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT). At present, one of the most used configuration in gamma detection has been obtained by photomultiplier tubes (PMTs) coupled to large scintillator crystals; recent progress in the development of solid state photodetectors, called silicon photomultipliers (SiPMs), raised the interest in replacing PMTs making SiPMs the new standard. These innovative detectors show significant advantages such as: magnetic compatibility, providing the possibility to combine PET or SPECT with magnetic resonance imaging (MRI), low bias voltage, fast response and mechanical robustness. The final goal of our research, in the framework the GAMMA project, supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consists in the design of a detection module for gamma ray spectroscopy interacting with 3 inches diameter, 3 inches height LaBr3:Ce scintillator crystal, the state of the art in scintillator crystal, coupled to silicon photomultipliers. The target resolution is clearly equivalent to the one obtainable with PMTs consisting in an energy resolution below 3% for the 662 keV cesium (137Cs) peak for energies ranging from 100 keV to 20 MeV. Furthermore the project requires a spatial resolution below 10mm in order to be able to compensate the energy shift present in the energy spectrum because of relativistic Doppler effect. The readout of such a large scintillator requires an array of SiPMs of the same dimension, hence the crystal has been coupled to a matrix of 144 NUV-HD SiPMs developed by Fondazione Bruno Kessler (FBK). In the first chapter of this master thesis the Gamma Project will be introduced while in the second one silicon photomultipliers will be presented and the internal structure of the GAMMA ASIC, an integrated circuit developed in our laboratory customized to be used in the GAMMA project, will be analyzed. The third chapter gathers the hardware modules designed during the thesis work. Firstly the FPGA adopted and its baseboard will be introduced, then the focus will move on the description of the "Micronode", a 1"x1" module to be replicated in a 3x3 array in order to properly fit the spatial constraints imposed by the SiPMs matrix dimension. The final section of the chapter will be dedicated to the Motherboard, a 3"x3" board already capable to readout the entire SiPMs matrix designed as an intermediate step between a single Micronode and the whole 3x3 array. The fourth chapter focuses on the VHDL firmware structure implemented for the readout. Firstly a general overview of the architecture will be given, then the working principle of every block will be extensively explained. The chapter ends with the description of the Graphic User Interface through which the whole DAQ system is controlled, briefly explaining the working principle of the software implemented. The fifth and final chapter gathers all the measurements performed to test and characterize the system and the experimental results obtained, then the thesis ends with a look towards future developments of the whole system.

Al giorno d’oggi la rivelazione di radiazione gamma trova applicazioni in diversi ambiti: le misure di spettroscopia sono di particolare interesse nell’ambito della fisica nucleare e dell’astrofisica mentre le tecniche di imaging hanno offerto nuove possibilità in campo medico, specialmente nell’ambito della diagnostica medica, consentendo lo sviluppo di tecnologie come la tomografia ad emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata ad emissione di singolo fotone (SPECT). Attualmente una delle configurazioni maggiormente utilizzata nell’ambito della rivelazione gamma è stata ottenuta con tubi fotomoltiplicatori (PMT) accoppiati a grandi cristalli scintillatori; i recenti progressi nello sviluppo di fotorivelatori a stato solido, chiamati fotomoltiplicatori in silicio (SiPM), hanno accresciuto l’interesse nel sostituire i PMT e far diventare i SiPM il nuovo standard. Questi rivelatori innovativi mostrano vantaggi significativi come: la compatibilità magnetica, che permette di combinare PET o SPECT con l’imaging basato su risonanza magnetica (MRI), bassa tensione di polarizzazione, risposta veloce e robustezza meccanica. L’obiettivo finale della nostra ricerca, condotta nel contesto del progetto GAMMA, supportato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consiste nella progettazione di un modulo di rivelazione dedicato alla spettroscopia gamma interagente con cristallo scintallatore LaBr3:Ce di 3 pollici di diametro per 3 pollici di altezza accoppiato a fotomoltiplicatori in silicio. Le performance di risoluzione richieste sono chiaramente equivalenti a quelle ottenibili con tubi fotomoltiplicatori, ovvero ad una risoluzione energetica inferiore al 3 % per il picco del cesio 662 keV (137 C) per energie comprese tra 100 keV a 20 MeV. Inoltre, una risoluzione spaziale inferiore a 10 mm è richiesta dalle specifiche di progetto per compensare lo spostamento in energia presente nello spettro energetico causato dell’effetto Doppler relativistico. La lettura di uno scintillatore così grande richiede un array di SiPM della stessa dimensione, quindi il cristallo è stato accoppiato ad una matrice di 144 SiPM NUV-HD sviluppati dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK). Nel primo capitolo di questa tesi verrà presentato il progetto Gamma mentre nel secondo verrà brevemente descritto il funzionamento dei SiPM e verrà analizzata la struttura interna del GAMMA ASIC, un circuito integrato progettato nel nostro laboratorio appositamente per essere utilizzato all’interno del progetto GAMMA. Il terzo capitolo è composto dalle descrizioni dei moduli hardware progettati durante il lavoro di tesi. Innanzitutto verranno presentati l’FPGA adottato e la sua baseboard, quindi l’attenzione si sposterà sulla descrizione del "Micronode", un modulo da 1"x1" progettato con tali dimensioni per poi essere replicato in un array 3x3 di modo da rispettare i vincoli spaziali imposti dalla dimensione della matrice SiPM . La sezione finale del capitolo sarà dedicata alla Motherboard, una scheda 3"x3" già in grado di leggere l’intera matrice di SiPM progettata come passaggio intermedio tra un singolo Micronode e l’intero array 3x3. Il quarto capitolo si focalizza sulla struttura del firmware VHDL implementata per la lettura. In primo luogo verrà fornita una panoramica generale dell’architettura, quindi il principio di funzionamento di ogni blocco verrà ampiamente spiegato. Il capitolo termina con la descrizione dell’interfaccia grafica attraverso cui viene controllato l’intero sistema DAQ, spiegando brevemente il funzionamento del software implementato. Il quinto e ultimo capitolo raccoglie tutte le misure effettuate per testare e caratterizzare il sistema e i risultati sperimentali ottenuti, la tesi si conclude quindi con uno sguardo agli sviluppi futuri del progetto.