Feasibility study of a color-based discrimination technique for neutron/gamma detection with inorganic scintillators

New advances in inorganic scintillators science and technology brought to the development of an extremely large number of new materials to be employed in radiation protection and monitoring. These novel materials are characterized by different properties, which can be employed and combined, opening the way to unexplored solutions. Among their properties, several materials are characterized by well-defined emission wavelengths depending on the specific combination of the crystal/ceramic matrix and the dopant/co-dopant species. This work aimed at investigating a novel discrimination technique based on the optical coupling of different inorganic scintillator species in a phoswich geometry to perform neutron/gamma discrimination. Instead of the classic pulse shape discrimination techniques, the proposed approach relies on a passive quasi-digital discrimination method employing specific scintillators coupled to optical filters and silicon photomultipliers. The research was carried out theoretically and experimentally, developing specific radiation detectors, which were completely characterized in terms of electronic response, radiation sensitivity and gamma rejection capabilities. The research was accompanied by the fine physical characterization of the crystals, ceramics and materials used. A specific characterization study was also performed involving a potential monolithic scintillator to be employed for the color-based neutron/gamma discrimination without using the phoswich setup. The outcomes of the research are both the characterization of some of the novel inorganic scintillator materials to be employed for radiation protection (GGAG:Ce, LuAG:Ce, LuAG:Pr, LiCAF:Eu, CLYC:Ce), as well as the demonstration of the feasibility of the proposed technique to be employed in real case systems where a simple and effective particle discrimination device is required, not necessarily related to neutron/gamma discrimination, i.e. colored radiography, alpha/beta/gamma discrimination, PET-DOI assessment.

Recenti sviluppi nel campo della scienza e tecnologia degli scintillatori inorganici hanno fatto sì che negli ultimi 10–15 anni si assistesse ad un incredibile aumento nel numero e nella qualità di nuovi materiali potenzialmente utilizzabili nel campo della radioprotezione e monitoraggio. A differenza degli storici scintillatori inorganici, questi nuovi materiali sono caratterizzati da proprietà ben distinte e peculiari, che possono essere sfruttate e combinate tra loro per affrontare classici problemi misuristici mediante approcci completamente nuovi. In particolare, molti di questi materiali sono caratterizzati da specifiche e ben determinate lunghezze d’onda di scintillazione, ottenute mediante la precisa combinazione di matrici cristalline/ceramiche e di impurità (i.e. attivatori/co-attivatori). Questo lavoro di tesi si prefigge di studiare alcuni di questi nuovi materiali, combinati tra loro in geometria phoswich, così da indagare una nuova metodica di discriminazione gamma/neutroni, come alternativa alle classiche tecniche di discriminazione sulla forma d’impulso. La metodologia oggetto di analisi si basa su una discriminazione ottica di tipo quasi-digitale, che opera a monte della formazione del segnale elettrico al fotorivelatore, ottenuta mediante l’ausilio di filtri ottici impiegati come discriminatori passivi affacciati a fotomoltiplicatori al silicio. La tesi si configura mediante un approccio sia teorico/modellistico, sia sperimentale, con lo sviluppo di specifici rivelatori di radiazione, caratterizzati in termini di comportamento elettrico, efficienza di rivelazione e capacità di discriminazione. I cristalli, le ceramiche e i materiali utilizzati sono stati studiati mediante specifiche prove di caratterizzazione fisica. Parallelamente, è stato studiato un nuovo scintillatore che appare promettente come materiale monolitico da impiegare come sonda neutronica basandosi sulla metodologia di discriminazione proposta, senza dover sfruttare la configurazione phoswich. I risultati ottenuti sono, da un lato, la precisa caratterizzazione fisica di alcuni tra i più promettenti materiali nel panorama degli scintillatori inorganici (GGAG:Ce, LuAG:Ce, LuAG:Pr, LiCAF:Eu, CLYC:Ce) e il loro studio applicato a problemi di radioprotezione; dall’altro, la dimostrazione di fattibilità della tecnica di discriminazione proposta, con l’introduzione di metodologie sperimentali e grandezze quantitative per valutarne l’efficacia in campi applicativi. Nonostante il presente studio sia principalmente focalizzato sulla discriminazione g/n, la tecnica proposta può trovare applicazione in diversi ambiti misuristici, tra cui discriminazione alfa/beta, beta/gamma, o medicali, e.g. PET-DOI.