Position sensitivity in thick scintillators for doppler correction through machine learning algorithms

Gamma radiation detection is widely used in physics as it allows imaging and spectroscopic measurements. Nowadays, the most used radiation detectors for measurements consist of scintillator crystals coupled to Photomultiplier Tubes (PMTs). However, PMTs have several limitations including: electromagnetic incompatibility, fragility, high bias voltage and bulkiness. There is therefore a strong interest for their replacement with a detector that can fill these gaps and the most promising candidate is constituted by Silicon PhotoMultipliers (SiPMs). SiPMs, in addition to being very compact, requiring low bias voltages and being insensitive to magnetic fields, also allow to reconstruct the interaction position of gamma rays inside the scintillator crystal (imaging). This is possible because generally the detector is composed by a matrix of SiPMs whose information can be read individually. The GAMMA project, supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) and topic of this thesis, consists in the development of a gamma spectrometer for energies from 80 keV up to 30 MeV. The instrument is composed by a co-doped Lanthanum Bromide scintillator crystal coupled to a matrix constituted by 144 NUV-HD SiPMs produced by Fondazione Bruno Kessler (FBK) located in Trento and capable of reaching a state-of-the-art energy resolution of 2.6% at 662 keV. In addition to have excellent spectroscopic capabilities, the system is designed to reconstruct the interaction position with a spatial resolution of less than 1 cm. This characteristic is of fundamental importance in nuclear physics experiments in which the emission of gamma rays is obtained through the collision of particles moving at relativistic speed. In fact, in this type of experiments, there is a degradation of the resolution in the spectrum due to the relativistic Doppler effect which can be compensated by knowing the interaction position of the gamma rays inside the scintillator crystal. This thesis work is focused on validating the spectroscopic capabilities of the GAMMA detector, on exploring new investigation paths offered by the pixelated nature of the SiPM matrix and finally, on exploiting the imaging capabilities of the system to compensate the relativistic Doppler effect, obtaining a resolution improvement of 15% against a theoretical maximum of 25%. The thesis is organized as follows: Chapter 1: after a brief introduction to gamma radiation detection and its main applications, the GAMMA project is presented along with its main specifications and goals. Its components will be described, concluding with a comparison of different solid state detectors; Chapter 2: contains a more in-depth description of SiPMs and their principle of operation, followed by a detailed analysis of the GAMMA system and its main components which are: metal enclosure, NUV-HD SiPMs, scintillator crystal, custom ASIC and finally the electronic boards; Chapter 3: illustrates the main Machine Learning algorithms used to reconstruct the interaction position and shows the measurements made before the first in-beam test that highlight a problem in the system; Chapter 4: contains an in-depth report on the spectroscopic capabilities of the system and on the new investigation paths offered by the SiPM matrix. Finally, are presented the results of the relativistic Doppler effect correction obtained thanks to the imaging capabilities of the system; Chapter 5: is the final chapter in which the obtained results are summarized and the possible future developments for the GAMMA project reported, in particular to improve its imaging capabilities.

La rilevazione di radiazioni gamma trova largo impiego in fisica poiché consente di effettuare imaging e misure spettroscopiche. Al giorno d'oggi, i rilevatori di radiazione più utilizzati in fisica sono costituiti da cristalli scintillatori accoppiati a Tubi Fotomoltiplicatori (PMT). I PMT presentano però diverse limitazioni tra cui: incompatibilità elettromagnetica, fragilità, alta tensione di polarizzazione e ingombro notevole. Si sta quindi cercando un loro sostituto che riesca a colmare queste lacune e il candidato più promettente è costituito dai Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM). I SiPM, oltre ad essere molto compatti, richiedere basse tensioni di polarizzazione ed essere insensibili ai campi magnetici, consentono anche di rilevare la posizione di interazione dei raggi gamma all'interno del cristallo scintillatore (imaging). Questo è possibile poiché normalmente il detector è costituito da una matrice di SiPM le cui informazioni possono essere lette singolarmente. Il progetto GAMMA, supportato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e oggetto di questa tesi, consiste nello sviluppo di uno spettrometro gamma per energie comprese tra gli 80 keV e i 30 MeV. Lo strumento è costituito da un cristallo scintillatore di Bromuro di Lantanio codopato accoppiato a una matrice formata da 144 SiPM NUV-HD prodotti da Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento e in grado di raggiungere una risoluzione energetica di 2.6% a 662 keV, che rappresenta l'attuale stato dell'arte. Oltre a possedere doti spettroscopiche eccellenti, il sistema è progettato per ricostruire la posizione di interazione con risoluzione spaziale inferiore a 1 cm. Questa caratteristica è di fondamentale importanza negli esperimenti di fisica nucleare in cui l'emissione di raggi gamma è ottenuta attraverso la collisione di particelle aventi velocità relativistica. Infatti, in questo tipo di esperimenti, si ha una degradazione della risoluzione nello spettro a causa dell'effetto Doppler relativistico che però può essere compensato conoscendo la posizione di interazione dei raggi gamma con il cristallo scintillatore. Questo lavoro di tesi si è concentrato nel validare le doti spettroscopiche dello strumento GAMMA, nel percorrere nuove strade d'indagine offerte dalla natura pixellata della matrice di SiPM e infine, nello sfruttare le doti di imaging del sistema per compensare l'effetto Doppler relativistico, ottenendo un miglioramento della risoluzione del 15% a fronte di un massimo teorico del 25%. La tesi è così strutturata: Capitolo 1: dopo una breve introduzione alla rivelazione della radiazione gamma e alle sue principali applicazioni, viene presentato il progetto GAMMA con le sue principali specifiche e obiettivi. Segue una descrizione dei componenti base del progetto, concludendo con un confronto tra i diversi rivelatori a stato solido; Capitolo 2: contiene una descrizione più approfondita dei SiPM e del loro principio di funzionamento, a cui segue un'analisi dettagliata del sistema GAMMA e dei suoi principali componenti che sono: involucro di metallo, SiPM NUV-HD, cristallo scintillatore, ASIC personalizzato e infine le schede elettroniche; Capitolo 3: illustra le principali tecniche di Machine Learning utilizzate per ricostruire la posizione di interazione e mostra le misure effettuate in previsione del primo test con fascio che evidenziano un problema nel sistema; Capitolo 4: contiene un resoconto approfondito sulle doti spettroscopiche del sistema e sulle nuove strade d'indagine offerte dalla matrice di SiPM. Infine presenta i risultati della correzione dell'effetto Doppler relativistico ottenuta grazie alle capacità di imaging offerte dal sistema; Capitolo 5: è il capitolo conclusivo in cui vengono riassunti i risultati ottenuti e indicate le prospettive future del progetto GAMMA, in particolare per migliorare le sue doti di imaging.