Gamma-ray spectroscopy and imaging with SiPMs readout of scintillators: front-end electronics and position sensitivity algorithms

Gamma radiation detectors for both spectroscopy and imaging find application in various fields, such as nuclear physics experiments, gamma-ray astronomy, nuclear medicine, molecular imaging, and homeland security. Remarkably, the instrumentation design often benefits of technological transfer from one field to another, with a strong push in technological development driven by the demanding requirements of fundamental research. The collection of papers presented in this thesis largely focuses on a detection module developed in a joint project with INFN, within the context of GAMMA experiment, which couples a 3"×3" cylindrical, Ce+Sr codoped LaBr3 scintillation crystal to a large array of silicon photomultipliers, targeting the superseding of PMT-based spectroscopy modules for medium and high energy gamma radiation detection. The main results results presented in the thesis are the SiPM-based module capability of detecting single photons when pulsed with an external laser, and the achieved 2.6% energy resolution and sub-cm resolution planar position sensitivity at the 662keV gamma-ray energy, when coupling the SiPM array to the thick 3"×3" LaBr3 crystal. The discussion encompasses the front-end ASIC design, the machine-learning algorithms for position sensitivity characterization, and applications of the developed module in environmental monitoring and particle therapy.

I rivelatori gamma per spettroscopia e immagini trovano applicazione in molteplici campi: esperimenti di fisica nucleare, astronomia a raggi gamma, medicina nucleare, imaging molecolare, sicurezza nazionale. La progettazione di strumenti spesso beneficia del trasferimento tecnologico tra i veri settori ed, in particolare, di una forte spinta nell'innovazione tecnologica guidata dalla ricerca di base. La raccolta di articoli presentata in questa tesi si concentra su un modulo di rivelazione sviluppato nel contesto dell'esperimento GAMMA dell'INFN; il modulo accoppia un cristallo LaBr3 3"×3" cilindrico, drogato con Ce e Sr, ad una larga matrice di fotomoltiplicatori in silicio, mirando alla sostiuzione dei rivelatori PMT nei moduli per la rivelazione di radiazione gamma alle medie ed elevate energie. I risultati principali esposti nella tesi comprendono la capacità del modulo di rilevare i singoli fotoni, quando il modulo è impulsato otticamente con un diodo laser, e la risoluzione energetica di 2.6% e sensitività planare di posizione con accuratezza inferiore al cm misurate irraggiando il modulo all'energia gamma di 662keV, quando la matrice di SiPM è accoppiata al cristallo LaBr3. La discussione include il progetto del front-end elettronico, gli algoritmi per la sensitività di posizione basati su machine learning ed una presentazione di applicazioni del modulo nel contesto di monitoraggio ambientale e di medicina nucleare.