Characterization and optimization of GAMMA : a 16-channels high dynamic range ASIC for SiPMs readout

Gamma radiation detection finds applications in different fields, from physics to medical diagnostic where spectroscopy and imaging constitute the main investigation techniques used. In particular, in nuclear physics applications, framework of the present work, photomultiplier tubes (PMTs) coupled to large scintillator crystals constitute the standard for spectroscopy radiation detectors. However nowadays, there is a strong interest in replacing them with solid state detectors, like silicon photomultipliers (SiPMs), due to their meaningful advantages such as low bias voltage, magnetic compatibility and imaging capability. The aim this thesis work, carried out within the GAMMA project, supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consists in the design, development and experimental characterization of an innovative detection module for gamma-ray spectroscopy based on 3 ”×3 ” LaBr3(Ce3+ + Sr2+) crystal coupled with Silicon Photomultipliers for nuclear physics experiments with energies ranging from 100 keV to 20 MeV. The target resolution is equivalent to the state of the art of 2.58% at 662 keV obtained with PMTs and a spatial resolution below of 1 cm in the reconstruction of the point of interaction, requested by the project specifications in order to compensate the energy shift present in the spectrum because of the relativistic Doppler effect, impairing the final resolution of the system. In order to accomplish the readout of a large scintillator crystal, a matrix of 144 Silicon Photomultipliers has been designed using NUV HD SiPMs from Fondazione Bruno Kessler (FBK), which have been chosen thanks to the high Photon Detection Efficiency (PDE) in correspondence of the peak emission wavelength of the crystal, high cell density and low Dark Count Rate (DCR). The electronic readout should be characterized by a high dynamic range of 80 dB since the the number of photoelectrons produced by the photodetector ranges from 1 to 10000. According to available literature, to the best of author’s knowledge, there are no silicon photomultipliers readout ASICs (Application Specific Integrated Circuit) featuring the target dynamic range, and therefore a new application specific design resulted necessary. Starting from the new version the chip, a detailed analysis on each single circuit block has been carried out with experimental characterization to highlight the design trade-offs and possible optimizations in order to improve, with a future release, the overall system. In particular has been studied the input stage of the ASIC and its alternative implementations, experimentally characterized the Adaptive Gain Control (AGC) feature and, finally, validated the performance of the GAMMA instrument as gamma-ray spectrometer acquiring several spectra in different conditions reaching a 2.71% resolution at 662 keV, not far from the state of the art.

La rivelazione di radiazione gamma trova applicazioni in diversi ambiti, dalla fisica alla diagnostica medica dove spettroscopia e l’imaging costituiscono le principali tecniche di indagine usate. In particolare, in applicazioni di fisica nucleare, contesto dell’attuale progetto, i tubi fotomoltiplicatori (PMT) accoppiati a grandi cristalli scintillatori costituiscono lo standard per i rivelatori di radiazione per spettroscopia. Tuttavia al giorno d’oggi c’è un forte interesse nel sostituirli con fotorivelatori a stato solido, come i fotomoltiplicatori in silicio (SiPM), grazie ai loro significativi vantaggi come basse tensioni di polarizzazione, compatibilità magnetica e capacità di imaging. Lo scopo di questo elaborato di tesi, condotto nel contesto del progetto GAMMA, supportato dall’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), consiste nella progettazione, sviluppo e caratterizzazione sperimentale di un innovativo modulo di rivelazione adibito alla spettroscopia per energie tra 100 keV e 20 MeV interagenti con un cristallo scintillatore 3 ”×3 ” LaBr3(Ce3+ + Sr2+) accoppiato con SiPM. La risoluzione target equivale a quella dello stato dell’arte di 2.58% a 662 keV ottenuta con PMT e una risoluzione spaziale inferiore di 1 cm nella ricostruzione del punto di interazione, richiesta dalle specifiche di progetto in modo tale da compensare lo spostamento di energia presente nello spettro causato dall’effetto Doppler relativistico, che incide sulla risoluzione finale del sistema. Per realizzare la lettura di un grande cristallo scintillatore, è stata progettata una matrice di 144 fotomoltiplicatori in silicio utilizzando SiPM NUV-HD realizzati dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK), che sono stati scelti per la loro alta efficienza di fotorivelazione (PDE) in corrispondenza della lunghezza d’onda del picco emesso dal cristallo, per l’alta densità di celle e per il basso Dark Count Rate (DCR). L’elettronica di lettura del rivelatore deve essere caratterizata da un elevato range dinamico di 80 dB dal momento che il numero di fotoelettroni prodotti dai fotorivelatori variano da 1 fino a 10000. Facendo riferimento alla letteratura disponibile, al meglio della conoscenza dell’autore, non sono presenti ASIC (Application Specific Integrated Circuit) per la lettura di SiPM caratterizati dal range dinamico richiesto, e quindi è risultata necessaria una nuova progettazione per la specifica applicazione. Partendo dalla nuova versione del chip, è stata condotta un’analisi dettagliata di ogni blocco circuitale con caratterizzazione sperimentale per evidenziare possibili trade-off e ottimizzazioni in maniera tale da migliorare, con una futura versione, il sistema completo. In particolare è stato studiato lo stadio d’ingresso dell’ASIC e le sue alternative implementazioni, caratterizzato sperimentalmente le funzionalità dell’ Adaptive Gain Control (AGC) ed infine validate le prestazioni dello strumento GAMMA come spettrometro di radiazioni gamma acquisendo diversi spettri in condizioni differenti raggiungendo una risoluzione del 2.71% a 662 keV, non molto differente dallo stato dell’arte.