Experimental verification of a gamma ray detector based on a LaBr3 scintillator coupled to silicon drift detectors

This thesis is focused on a gamma-ray detector based on a LaBr3 scintillator coupled to a matrix of large area Silicon Drift Detectors (SDDs) with the aim of attaining energy resolution of 3% at 662 keV for planetary gamma-ray spectroscopy, which provides information useful for studying the elemental surface composition of planets with a depth of few centimeters off the surface. Among scintillation detectors, LaBr3 offers superior energy resolution mainly on account of its high light output and emission linearity. Its scintillation process is also very fast, i.e. its decay time is quite short, and represents a bright and fast source of light pulses which were not available before with other scintillation detectors. To fully exploit the best performance achievable by the LaBr3 scintillator, the choice of the best photodetector to be coupled to that crystal for the readout of its scintillation light is important. For the readout of scintillation light, photomultiplier tubes (PMTs) and avalanche photodiodes (APDs) are still the most commonly used devices. The SDD, on the other hand, is a photodetector characterized by a very low noise on account of its small output capacitance independent of its active area. Compared to a PMT, the SDD offers higher quantum efficiency that reduces the spread associated with the statistics of photoelectron generation. Compared to an APD, the SDD offers a smaller photoelectron statistics contribution. Additionally, the SDD is more stable, i.e. less sensitive to magnetic fields and variations in temperature and bias drift. As regards the signal readout, the outputs of the preamplifiers placed in close proximity to their respective SDD anodes are processed by an ASIC. Each SDD channel has its own analog chain: a shaper, baseline holder, and peak stretcher. All the outputs of the peak stretcher are sent to a multiplexer, and they are processed by the data acquisition system thenceforth. Promising results have been obtained, suggesting that the target energy resolution may be reached.

Questo lavoro di tesi è stato focalizzato sullo studio di un sistema di rivelazione gamma composto da uno scintillatore in bromuro di lantanio (LaBr3) accoppiato ad una matrice di fotorivelatori Silicon Drift Detector (SDD) con lo scopo di ottenere una risoluzione inferiore al 3% a 662 keV. Tale sistema può essere impiegato in applicazioni di spettroscopia gamma planetaria, fornendo informazioni sulla composizione della superficie di pianeti fino ad una profondità di alcuni centimetri. Tra tutti gli scintillatori, il LaBr3 grazie all’elevato guadagno di scintillazione, all’ottima linearità di emissione e alla sua veloce costante di scintillazione offre le migliori prestazioni in termini di risoluzione energetica. Di conseguenza rappresenta lo stato dell’arte tra gli scintillatori. Per sfruttare al meglio le performance del LaBr3 è fondamentale la scelta del fotorivelatore da accoppiare al cristallo per la lettura della luce di scintillazione. In queste applicazioni, tubi fotomoltiplicatori (PMT) e fotodiodi a valanga (APD) sono ancora rivelatori molto utilizzati. Una delle possibili alternative è il SDD, un fotorivelatore caratterizzato da basso rumore elettronico grazie alla sua bassa capacità di anodo indipendente dalla sua area attiva. Rispetto ai PMT, gli SDD offrono una maggiore efficienza quantica riducendo il contributo statistico di rivelazione associato alla generazione di fotoelettroni. Gli SDD sono dispositivi più robusti in quanto compatibili con campi magnetici, sono stabili a variazioni di temperatura e a drift di polarizzazione. Per quanto riguarda la lettura del segnale, l’uscita del preamplificatore, posizionato in prossimità dell’anodo del rivelatore, è processato da un ASIC. Ogni SDD ha un suo canale analogico di lettura: filtro formatore, baseline holder, peak stretcher. Tutte le uscite dei peak stretcher sono inviate ad un multiplexer e sono procesate da un’acquisizione digitale. I risultati ottenuti sono promettenti e l’obiettivo finale sembra raggiungibile.