SiPM-based readout of LaBr3 scintillators: development and characterization of state-of-the-art spectroscopy detectors

Gamma radiation and its detection play a key role in many fields, from science (nuclear physics, astronomy) to medicine (for both treatment and diagnostics), passing through the food industry (to sterilize food), the oil industry (for well logging), and the nuclear industry (for both safety and security). This Ph.D. thesis is the result of more than three years spent in this field working with (and developing) gamma-ray detectors, in particular for what is called high-resolution gamma-ray spectroscopy, which concerns the identification of the different energies of which the gamma radiation is composed, by quantifying them with high precision. The main task of this thesis has been to design, develop, and experimentally characterize a high-resolution, high-dynamic-range gamma-ray spectrometer for nuclear physics experiments based on a lanthanum bromide scintillation crystal coupled with SiPMs, in collaboration with the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) - Sezione di Milano. The developed system, named GAMMA, achieved unprecedented performances in energy resolution, energy dynamic range, and imaging capability, all three combined for the first time. GAMMA has also been the starting point for the development of smaller (and eventually more affordable) detectors for gamma-ray spectroscopy in fields other than nuclear physics, where gamma spectroscopy is crucial. In particular, nuclear medicine and nuclear security issues have been tackled with dedicated detectors. These works are detailed in the papers collected in this thesis, preceded by an introductory part on gamma radiation detection and applications.

Le radiazioni gamma e la loro rivelazione rivestono un ruolo fondamentale in molti campi, dalla scienza (fisica nucleare, astronomia) alla medicina (sia per il trattamento che per la diagnostica), passando per l'industria alimentare (per sterilizzare gli alimenti), l'industria petrolifera (per la verifica dei pozzi) e l'industria nucleare (sia per la sicurezza che per la protezione). Questa tesi di dottorato è il risultato di oltre tre anni trascorsi in questo campo lavorando con (e sviluppando) rivelatori di raggi gamma, in particolare per quella che viene chiamata spettroscopia gamma ad alta risoluzione, che riguarda l'identificazione delle diverse energie di cui è composta la radiazione gamma, quantificandole con alta precisione. Il tema principale di questa tesi è stata la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di uno spettrometro per raggi gamma ad alta risoluzione e ad alto range dinamico per esperimenti di fisica nucleare, basato su un cristallo scintillatore di bromuro di lantanio accoppiato a SiPM, in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) - Sezione di Milano. Il sistema sviluppato, denominato GAMMA, ha raggiunto prestazioni senza precedenti in termini di risoluzione energetica, gamma dinamica energetica e capacità di imaging, tutte e tre combinate per la prima volta. GAMMA è stato anche il punto di partenza per lo sviluppo di rivelatori più piccoli (ed economicamente più accessibili) per la spettroscopia di raggi gamma in campi diversi dalla fisica nucleare, dove la spettroscopia gamma è fondamentale. In particolare, le problematiche della medicina nucleare e della sicurezza nucleare sono state affrontate con rivelatori dedicati. Questi lavori sono illustrati negli articoli scientifici raccolti in questa tesi, preceduti da una parte introduttiva sulla rivelazione e le applicazioni delle radiazioni gamma.