Development of a 3" LaBr3 SiPM-based detection module for high resolution gamma ray spectroscopy and imaging

Gamma radiation detection finds many applications in different fields, including astrophysics, nuclear physics and medical diagnostics. Nowadays large Lanthanum Bromide crystals coupled to Photomultiplier Tubes (PMTs) represent the state of the art for gamma detection modules, in particular for spectroscopic measurements. Nevertheless, there is an interest in substituting photomultiplier tubes with solid state photodetectors like Silicon Photomultipliers (SiPMs), owing to the latter’s significant advantages. These 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), is the design, development and experimental characterization of a gamma-ray spectrometer based on large Lanthanum Bromide scintillator crystals coupled with Silicon Photomultipliers, for nuclear physics experiments with energies ranging from 100 keV to 20MeV, 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 Silicon Photomultiplierswas designed using 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 thesis work entails the design of each element of the instrument, starting from the SiPM tile and the optimization of the instrument mechanics, through to the development of the electronics boards and custom ASICs. The Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC (GAMMA) was developed in order to match the project requirements for a large charge dynamic range and full scale range. Data acquisition and the biasing of the detectors were also designed in order to simplify the use of the instrument in operative conditions. Experimental measurements were performed in intermediate development steps, confirming the high performance of the developed instrument.

Il rilevamento delle radiazioni gamma trova molte applicazioni in diversi campi, compresa l'astrofisica, la fisica nucleare e la diagnostica medica. Oggi grandi cristalli di bromuro di lantanio accoppiati a tubi fotomoltiplicatori (PMT) rappresentano lo stato dell'arte per i moduli di rilevamento gamma, in particolare per le misure spettroscopiche. Tuttavia, vi è un interesse a sostituire i tubi fotomoltiplicatori con i fotorilevatori a stato solido come i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), fornendo vantaggi significativi. Questi includono l'insensibilità ai campi magnetici, bassa tensione di polarizzazione, compattezza, risposta rapida e robustezza meccanica. Lo scopo di questo lavoro di tesi, che è stato realizzato nel contesto del progetto GAMMA sostenuto dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di uno spettrometro gamma basato su cristalli scintillatori di bromuro di lantanio di grandi dimensioni accoppiati con fotomoltiplicatori al silicio, per esperimenti di fisica nucleare con energie che vanno da 100 keV a 20MeV, caratterizzati da elevata risoluzione energetica e alla capacità di imaging allo stato dell'arte, in una struttura compatta, modulare e robusta. Per eseguire la lettura di grandi cristalli scintillatori, una matrice di 144 fotomoltiplicatori al silicio sono stati progettati utilizzando i SiPM NUV-HD SiPM di Fondazione Bruno Kessler (FBK). Questi sono stati scelti per la loro alta Efficienza di rilevamento dei fotoni in corrispondenza del picco di emissione lunghezza d'onda del cristallo, l'alta densità di celle e il basso Dark Count Rate. Questo lavoro di tesi prevede la progettazione di ogni elemento dello strumento, a partire dalla piastrella SiPM e dall'ottimizzazione della meccanica dello strumento, fino allo sviluppo delle schede elettroniche e degli ASIC. L'ASIC multicanale (GAMMA) è stato sviluppato al fine di soddisfare i requisiti del progetto di un grande range dinamico e di elevato fondo scala. L'acquisizione dei dati e la polarizzazione dei rivelatori è stata progettata per semplificare l'utilizzo dello strumento in condizioni operative. Le misurazioni sperimentali sono state eseguite in fasi di sviluppo intermedie, confermando le alte prestazioni dello strumento sviluppato.