Hardware and firmware development for a multichannel gamma-ray detection system based on large scintillators and SiPMs

Gamma radiation detection together with new imaging techniques, finds nowadays many applications in different fields, including astrophysics, nuclear physics and medical diagnostics. Large Lanthanum Bromide crystals coupled to Photomultiplier Tubes (PMTs) represent the state of the art for gamma detection modules, in particular for spectroscopic measurements, providing an energy resolution below 3% at 662 keV (137Cs emission peak). Nevertheless, there is an increasing interest in substituting PMTs with solid state photodetectors like Silicon Photomultipliers (SiPMs) due to the their significant advantages, which include insensitivity to magnetic fields, low bias voltage, compactness, fast response and mechanical robustness. The aim of this thesis work, which was carried out within the context of the GAMMA project supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consist in the design, development and experimental characterization of a -ray spectrometer based on large Lanthanum Bromide scintillator crystals coupled with SiPMs, for nuclear physics experiments with low energies ranging from 10 keV to 10MeV, characterized by state of the art energy resolution and imaging capability, in a compact, modular and robust structure. In order to perform the readout of large scintillator crystals, a matrix of 144 SiPMs was designed adopting NUV-HD SiPMs from Fondazione Bruno Kessler (FBK). These were chosen due to their high Photon Detection Efficiency in correspondence with the peak emission wavelength of the crystal, the high cell density and low Dark Count Rate. This master thesis work focused on the design of two different DAQ measurements hardware developed for different releases of the Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC (GAMMA) from the optimization of its size to the selection of connectors, the development of the firmware and software controlling the instruments from the host PC and finally on the characterization and validation of their performances through experimental measurements. Summing up, the thesis is organized as follows: Chapter 1: after a brief introduction to gamma radiation detection and its main applications, the GAMMA project is presented along with its main specifications and goals. The choice of relying on Silicon Photomultiplier photodetectors for this project is then justified and their basic working principle along with their main figures of merit and performances are reported. The discussion is concluded by describing the main features of the custom readout ASIC. Chapter 2: the detection system structures, composed by the scintillator crystal, the 144 NUV-HD SiPMs matrix, a metal enclosure and the two different DAQ systems developed are described in details. Chapter 3: the VHDL firmware structure and the GUI developed for data acquisition are depicted. Chapter 4: the characterizations and measurements performed with both the developed instruments are presented. Each test is described starting from its objective, then the test setup is described and its results are reported. Chapter 5: the obtained results are summarized and a view of the future perspectives and challenges of the project is given, especially regarding the acquisition system and the readout ASIC.

La rivelazione di radiazione gamma insieme a nuove tecniche di imaging, trovano oggigiorno applicazione in ambiti diversi, che includono l’astrofisica, la fisica nucleare e la diagnostica medica. Cristalli di Bromuro di Lantanio di grandi dimensioni accoppiati a Tubi Fotomoltiplicatori (PMT), rappresentano lo stato dell’arte dei rivelatori di radiazione gamma, con particolare riguardo alle misure spettroscopiche, fornendo una risoluzione in energia minore del 3% a 662 keV (picco di emissione del 137Cs). Nonostante ciò, vi è un interesse crescente nel sostituire i PMT con fotorivelatori a stato solido come i Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM) a causa dei loro notevoli vantaggi, che includono l’insensibilità ai campi magnetici, la bassa tensione di polarizzazione, compattezza, risposta rapida e un’elevata robustezza meccanica. Lo scopo di questo lavoro di Tesi, che si inserisce nel contesto del progetto GAMMA, sostenuto dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consiste nella progettazione, sviluppo e caratterizzazione sperimentale di uno spettrometro gamma basato su cristalli scintillatori di Bromuro di Lantanio di grandi dimensioni accoppiati a SiPM, per esperimenti di fisica nucleare a basse energie che vanno da 10 keV a 10MeV, caratterizzato da risoluzione energetica allo stato dell’arte e capacità di imaging, in una struttura compatta, modulare e robusta. Per la lettura di cristalli scintillatori di grandi dimensioni, è stata progettata una matrice di 144 SiPM utilizzando SiPM NUV-HD forniti dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK). Questi, sono stati scelti per la loro alta Photon Detection Efficiency in corrispondenza della lunghezza d’onda di massima emissione del cristallo, per l’alta densità delle celle e per il basso Dark Count Rate. Questo lavoro di Tesi Magistrale ha riguardato la progettazione di due diversi hardware di misura DAQ, sviluppati per edizioni diverse del GAMMA ASIC, dall’ottimizzazione delle dimensioni alla scelta dei connettori, lo sviluppo del firmware e del software per controllare lo strumento dal PC e infine la caratterizzazione e validazione delle sue prestazioni attraverso misure sperimentali. Riassumendo, la Tesi è strutturata come segue: Capitolo 1: dopo una breve introduzione alla rivelazione di radiazione gamma a alle sue principali applicazioni, il progetto GAMMA con le sue specifiche e obiettivi viene presentato. La scelta di adottare i Fotomoltiplicatori al Silicio per il progetto è dunque giustificata e il loro principio di funzionamento è illustrato insieme alle principali figure di merito e alle loro performance. La discussione si conclude descrivendo le principali componenti dell’ASIC sviluppato per il progetto. Capitolo 2: sono descritti in dettaglio i sistemi di rivelazione sviluppati, composti dal cristallo scintillatore, la matrice di 144 SiPM, l’involucro di metallo e i due diversi sistemi DAQ. Capitolo 3: vengono mostrati il firmware in linguaggio VHDL e la GUI sviluppati per l’acquisizione dei dati. Capitolo 4: sono presentate le caratterizzazioni e le misurazioni effettuate con entrambi gli strumenti sviluppati. Ogni test viene descritto partendo dagli obiettivi, poi viene descritta la configurazione del test e vengono riportati i risultati ottenuti. Capitolo 5: vengono riassunti i risultati ottenuti e viene fornita una visione delle prospettive e sfide future del progetto, in particolare per quanto riguarda il sistema di acquisizione e l’ASIC.