Analysis and optimization of a scintillator calorimeter system for pulsed radiation spectrometry at ELI beamlines

During the generation of a laser-induced particle beam, a non-negligible fraction of the laser energy is dissipated in the form of ionizing radiation, whose characteristics strongly depend on the underlying physics of the laser-plasma. The peculiar pulsed time structure of these radiation fields prevents the use of conventional instruments used for nuclear spectroscopy, as they operate with a very long readout dead time compared to the time evolution of the pulse. In this context, the OSCAR detector has been developed: an innovative online scintillation detector that can be used for characterizing the radiation produced in high intensity laser-target experiments. After an introduction to the working principle of the detector and its design, an in-depth analysis and optimization of the crystal light output and collection are reported. The use of TiO2 painting as reflector layer around scintillating crystals has been explored. The background noise variations in time and the point of view effects related to the actual CMOS camera based readout system have been investigated in detail. The analysis underlined the limitations of the system, and silicon photodiodes have been presented as alternative light sensors to CMOS camera. Simulations of the propagation of optical photons from the scintillation medium to the CMOS sensor have been performed with FLUKA.CERN Monte Carlo code. Novel optical models have been developed for simulating reflections of optical photons on non-smooth surfaces. The observed deviations of the simulated light output distribution in space with respect to experimental data are comparable to the experimental error. An estimation of the time straggling due to photon propagation inside the crystal has been also performed. Finally, OSCAR's neutron detection capabilities have been investigated. The estimated low neutron sensitivity indicates that further development in design and readout techniques are necessary to achieve direct neutron detection with OSCAR, and possible improvements are proposed.

Nell’interazione di un fascio laser ad alta intensità con un materiale bersaglio, una frazione non trascurabile dell'energia viene dissipata sotto forma di radiazione ionizzante, composta principalmente da elettroni e raggi gamma, le cui caratteristiche dipendono fortemente dalle proprietà del plasma che si genera nel target. Essendo tale radiazione pulsata nel tempo, gli strumenti convenzionali per la spettroscopia nucleare non possono essere utilizzati, in quanto si basano sulla misura di singoli quanti di radiazione per interazione. In questo contesto è stato sviluppato OSCAR: un innovativo rivelatore composto da scintillatori che può essere utilizzato per caratterizzare in tempo reale la radiazione prodotta in esperimenti laser-target. Il lavoro di tesi si è incentrato nell'analisi e ottimizzazione della risposta alla radiazione di OSCAR. Si sono analizzate le variazioni nel tempo del rumore della camera CMOS utilizzata nell'attuale sistema di acquisizione della luce di scintillazione, e si è indagato come l'intensità del segnale luminoso vari con la posizione della camera rispetto al materiale scintillante. Tali studi hanno evidenziato alcune problematiche del sistema di acquisizione in uso, e si è quindi proposto l'utilizzo di fotodiodi al silicio in alternativa alla fotocamera CMOS. Si è inoltre esplorato l'uso del TiO2 come materiale riflettente da applicare sui cristalli scintillanti, al fine di massimizzare il segnale luminoso raccolto dal sistema di acquisizione. La propagazione della luce di scintillazione è stata studiata anche attraverso simulazioni Monte Carlo, eseguite con l'utilizzo del codice FLUKA.CERN. Nuovi modelli ottici sono stati appositamente sviluppati e implementati in FLUKA.CERN per includere la riflessione dei fotoni su superfici non lisce. La differenza tra la distribuzione spaziale della luce di scintillazione ottenuta dalle simulazioni e i dati acquisiti è comparabile all'errore sperimentale. È stato inoltre stimato lo sfasamento temporale dovuto alla propagazione dei fotoni all'interno del materiale scintillante, che deve essere considerato nello sviluppo di tecniche di rivelazione basate sulla struttura temporale del segnale luminoso emesso. Infine, si è valutata la capacità di rivelazione dei neutroni di OSCAR. La bassa sensibilità ai neutroni stimata indica la necessità di ulteriori sviluppi sul rivelatore per ottenere la misura diretta dei neutroni, e possibili miglioramenti sono proposti.