Hardware and firmware developement for a spectroscopy and imaging gamma-ray detection module

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 (cesium 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), consists in the design, development and experimental characterization of a gamma-ray spectrometer based on large Lanthanum Bromide scintillator crystals coupled with SiPMs, for nuclear physics experiments with energies ranging from 10 keV to 20 MeV, characterized by state of the art energy resolution, in a compact, modular and robust structure. In addition, a spatial resolution below of 1 cm in the reconstruction of the point of interaction is required by the project specifications in order to compensate the energy shift present in the energy spectrum because of relativistic Doppler effect, impairing the final resolution of the system. 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 a DAQ (Data Acquisition) hardware developed for the Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC (GAMMA), with particular attention to the board layout design, choosing the proper components fullfilling the requirements. The existing VHDL firmware has been deeply revised and many new features have been introduced, controlling the instruments components. Finally, through experimental measurements, characterization and validation of system performances have been done.

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 cesio). 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, finanziato 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 con energie che vanno da 10 keV a 20 MeV, caratterizzato da risoluzione energetica allo stato dell’arte, in una struttura compatta, modulare e robusta. In aggiunta, le specifiche di progetto richiedono una risoluzione spaziale minore di 1 cm per la ricostruzione della posizione di interazione, in modo da compensare lo spostamento di energia nello spettro a causa dell'effetto Doppler relativistico, che degrada la risoluzione finale del sistema. 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 un hardware di misura DAQ (Data Acquisition), sviluppato per il GAMMA ASIC, con particolare attenzione al layout della board, scegliendo i componenti adeguati che soddisfino i requisiti. Il firmware VHDL esistente è stato completamente revisionato e sono state introdotte nuove funzionalità, per controllare tutti i componenti del sistema. Infine, con misure sperimentali, le prestazioni del sistema sono state caratterizzate e validate.