Characterization and optimization of a high dynamic range ASIC for gamma-ray spectroscopy

Nowadays, there are many fields in which radiation detection finds applications: from nuclear physics and astrophysics, to medical diagnostic and homeland security. Spectroscopy and imaging constitute the main investigation techniques used, enabling technologies like positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT). The present thesis work context lies in nuclear physics, in which radiation detector for spectroscopy are realized coupling photomultiplier tubes (PMTs) with large scintillator crystals. However, recent technology developments raised the interest towards new solid state photodetectors, silicon photomultiplier (SiPMs). Among their advantages we can quote a better electromagnetic compatibility, low bias voltage, fast response and mechanical robustness. The objective of this thesis, carried out within GAMMA project, sponsored by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consists in the development of an innovative detection module for gamma-ray spectroscopy for energy ranging from 100 keV up to 20MeV, using a 3 inches diameter, 3 inches height LaBr3(Ce3+) scintillator crystal coupled with SiPMs. In literature, the best resolution performances were obtained using photomultiplier tubes and, specifically, the energetic resolution at state of the art is below 3% for the 662 keV 137Cs peak. Our challenge is to reach the same energy resolution using SiPMs instead of PMTs. The readout of the large scintillator crystal is realized with a 144 silicon photomultiplier matrix, using NUV-HD SiPMs furnished by Fondazione Bruno Kessler (FBK). The electronic readout of the detector should be characterized by high dynamic range: the absence in literature of an ASIC satisfying all the project requirements, led to the design of a dedicated ASIC with a dynamic range of 80 dB. Starting from a previous release of the chip, a detailed study on each single circuit block has been carried out to highlight the design trade-offs and possible optimizations in order to design an improved version of the ASIC, which is the main goal of this thesis work. The thesis structure is organized as follows: • Chapter 1 contains a brief description of gamma radiation detector and its main applications, followed by a presentation of Silicon photomultipliers. • In chapter 2 the GAMMA project is presented, pointing out the specifications and goals required. Furthermore different front-end design approaches are discussed evaluating pros and cons. • Chapter 3 describes the GAMMA ASIC (Gain Amplitude Modulation Multichannel ASIC) architecture, which has been improved respect to the previous version. All its main circuit blocks are discussed. • In chapter 4 are presented the experimental measurements of the previous ASIC version. Moreover, system level measurements have been also made, obtaining a spectrum composed by 137Cs and 133Ba with a resolution value of 2.6%, one of the best result obtained with these new photomultipliers until now. • Chapter 5 contains a summary of the obtained results and the future challenges and perspectives that involve the ASIC and the entire acquisition system.

Al giorno d’oggi, sono molteplici gli ambiti in cui la rivelazione di radiazione gamma trova applicazione: dalla fisica nucleare all’astrofisica, dalla diagnostica medica alla sicureza di stato. La spettroscopia e l’imaging costituiscono le principali tecniche di indagine utilizzate che permettono tecnologie come la tomografia ad emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata ad emissione di singolo fotone (SPECT). Il contesto della presente tesi si colloca nell’ambito della fisica nucleare, in cui i rivelatori di radiazione per spettroscopia sono realizzati accoppiando tubi fotomoltiplicatori (PMTs) a grandi cristalli scintillatori. Tuttavia, recenti sviluppi tecnologici, hanno spostato l’interesse verso nuovi fotorivelatori a stato solido, i fotomoltiplicatori in silicio (SiPMs). Tra i vantaggi vi è una migliore compatibilità elettromagnetica, bassa tensione di polarizzazione, risposta veloce e robustezza meccanica. L’obiettivo di questa tesi, condotta nel contesto del progetto GAMMA, supportato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è quello di sviluppare un innovativo modulo di rivelazione per spettroscopia gamma per energie comprese tra 100 keV e 20MeV utilizzando un cristallo scintillatore LaBr3(Ce3+) di 3 pollici di diametro per 3 pollici di altezza accoppiato a fotomoltiplicatori in silicio. In letteratura, le migliori performance di risoluzione sono state ottenute mediante l’utilizzo di tubi fotomoltiplicatori e, nello specifico, la risoluzione energetica allo stato dell’arte è inferione al 3% per il picco del cesio 137Cs a 662 keV. La nostra sfida è quella di ottenere la medesima risoluzione energetica utilizzando SiPMs. Per realizzare la lettura di un grande cristallo scintillatore, è stata progettata una matrice di 144 fotomoltiplicatori in silicio utilizzando NUV-HD SiPMs forniti dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK). L’elettronica di lettura del rivelatore deve essere caratterizzata da un alto range dinamico: l’assenza in letteratura di un ASIC che soddista tutti i requisiti del progetto, ha richiesto una progettazione specifica dedicata all’applicazione, in modo tale da ottenere un range dinamico di 80 dB. Partendo da una versione precedente del chip, è stato condotto uno studio dettagliato di ogni blocco circuitale evidenziando possibili trade-off e ottimizzazioni per poter progettare una versione migliorata dell’ASIC, che risulta essere lo scopo principale di questa tesi. La struttura del presente elaborato è la seguente: • Nel capitolo 1 viene brevemente illustrata la rivelazione di raggi gamma e le sue principali applicazioni, seguita da una presentazione dei fotomoltiplicatori in silicio. • Nel capitolo 2 viene presentato il progetto GAMMA, evidenziando le specifiche richieste. Vengono inoltre discussi possibili front-end, valutando pro e contro. • Il capitolo 3 è dedicato alla descrizione dell’architettura dell’ASIC GAMMA (Gain Amplitude Modulation Multichannel ASIC), il quale presenta diversi miglioramenti rispetto alla sua versione precedente. Vengono perciò discussi tutti i più importanti blocchi circuitali che lo caratterizzano. • Nel capitolo 4 vengono presentate le misure sperimentali condotte sulla precedente versione dell’ASIC. Inoltre, sono state condotte anche misure a livello di sistema, che hanno permesso di ottenere uno spettro composto da 137Cs e 133Ba con un valore di risoluzione pari al 2.6%, uno dei migliori risultati finora ottenuti con questa nuova tipologia di fotomoltipliatori. • Il capitolo 5 contiene un riepilogo dei risultati ottenuti e le prospettive future che coinvolgono l’ASIC e l’intero sistema di acquisizione.