Innovative approach for Near-UV detection in water Cherenkov experiments

Photomultipliers tubes have been for many years the detector of choice for gamma-ray astronomy based on Water Cherenkov detectors. In this thesis, the design and implementation of a Near-UV Detector Prototype that could substitute photomultiplier tubes in Water Cherenkov detectors has been investigated. The rationale behind the prototype is the use of a proper coupling between a silicon photomulipliter and a UV-quality quartz glass, on which a thin film of a fluorophore has been deposited. This last component, named Wavelength shifter, serves to increase the area of collection of the Cherenkov light since the active area of commercially available silicon photomultipliers is orders of magnitude smaller compared to those of photomultiplier tubes. In this way, when a Cherenkov photon impinges on the Wavelength shifter, a second photon is generated by the fluorophore with a certain probability and, subsequently, trapped and guided to the detector. In order for the Wavelength shifter to act as a wave-guide for light, all of its surfaces except for the light collection face and detector exit hole are coated with a reflective material. In this context, the present thesis deals with two different aspects of the detector prototype: the characterization and selection of a proper fluorophore and the characterization of selected silicon photomultipliers. The discussion of the fluorophores consists of choosing the best one for this task and fully characterize it already in its final thin film form by measuring the absorption, photoluminescence and photoluminescence excitation spectra, the lifetime, quantum yield and its thickness. For what concerns the silicon photomultipliers, instead, a characterization of their noise and photon detection efficiency was performed. At last, a preliminary characterization of the device obtained by coupling the Wavelength shifter with the silicon photomultiplier is carried out highlighting its positive aspects and limitations.

I tubi fotomoltiplicatori sono stati il principale fotorivelatore impiegato nell'astronomia a raggi gamma basata sui Rilevatori Cherenkov ad acqua. In questa tesi si è investigato il progetto e l'implementazione di un prototipo di rilevatore per l'UV vicino che possa sostituire i tubi fotomoltiplicatori nei Rivelatori Cherenkov ad acqua. La logica alla base di questo prototipo è l'utilzzo di un adeguato accoppiamento tra il fotomoltiplicatore e un substrato di quarzo ottico con buone proprietà nell'UV sul quale si è depositato un film sottile di un fluoroforo. Questo componente, chiamato Wavelength shifter, ha lo scopo di incrementare l'area di raccolta della radiazione Cherenkov dal momento che l'area attiva dei tradizionali fotomoltiplicatori al silicio disponibili sul mercato è ordini di grandezza più piccola di quella dei tubi fotomoltiplicatori. Dunque, una volta che un fotone Cherenkov viene raccolto dal Wavelength shifter, il fluoroforo emetterà, con una certa probabilità, un secondo fotone che, di conseguenza, verrà intrappolato e guidato verso il rivelatore. Affinché il Wavelength shifter possa esibire qualità da guida d'onda, tutte le sue superfici ad eccezione della superficie di raccolta della luce e un foro di uscita per il rivelatore sono rivestite con un materiale riflettente. Nel contesto, la presente tesi tratta due aspetti differenti del prototipo: la caratterizzazione e scelta di un fluoroforo adeguato e la caratterizzazione dei fotomoltiplicatori silicio selezionati. La trattazione sui fluorofori consiste sia nella ricerca del miglior materiale, sia la sua completa caratterizzazione già nella forma finale di film sottile andando a misurare gli spettri di assorbimento, emissione ed eccitazione, il tempo di vita, l'efficienza e il suo spessore. Per quanto riguarda i fotomoltiplicatori al silicio, invece, è stata svolta una caratterizzazione del loro rumore e della loro efficienza. Infine, viene illustrata una caratterizzazione preliminare del dispositivo ottenuto con l'accoppiamento tra il Wavelength shifter e il fotomoltiplicatore al silicio evidenziando gli aspetti positivi e i limiti.