Study and development of a cooling system for a LaBr3 based prototype of gamma ray spectrometer for space exploration

European Space Agency (ESA) has initiated many projects to contribute to the on-going research in the field of gamma-ray detectors for space exploration. Politecnico di Milano (Polimi) and Fondazione Bruno Kessler (FBK) have been supported by ESA to improve this technology. In a recent research carried out by ESA (published on 18th November 2010), Lanthanum Bromide scintillators with traces of Cerium as an activator (5%) LaBr3(Ce) was found to be a promising scintillator to be used in indirect gamma-ray spectrometer for future interplanetary missions.[3] The current collaboration project aims at developing a gamma ray spectrometer for space exploration, exploiting a 3”x3” LaBr3(Ce) readout by a Silicon Drift Detector (SDD) array. The major goals are to achieve an energy resolution better than 3% at 662 keV and a dynamic range from 150 keV to 15 MeV. High values of electronic noise of the SDDs have been recognized as a major obstacle in satisfying our targets. Electronic noise is in turn dominated by the shot noise contribution of the dark/leakage current. Cooling the detector down by every 7°C can reduce the dark current to approximately one half the original value, thereby improving the final energy resolution. As a consequence of the study of scintillation and robustness properties of LaBr3, it was gathered that LaBr3 scintillator can easily get damaged if the temperature gradient across the scintillator is more than 3°C or if it is cooled or heated faster than 8°C/hour. This brought about the need to carry out a detailed study of heat transfer mechanisms in the detection system and the properties of the involved materials influencing heat transfer. On the basis of this theoretical study, physics based software simulations of the detection system were performed. Later on, preliminary tests were performed to evaluate the performance of the temperature control loop and an automated temperature control system was evolved to meet the requirements set by simulation results. Experiments were also carried out with the prototype 1”x1” scintillator in a climatic chamber to evaluate the performance of the preliminary system. The experimental setups and results of tests with the prototype scintillator have also been discussed in this thesis. The effects of ballistic deficit, peaking time and source energy peak on the final energy resolution have also been analysed.

L’agenzia spaziale europea (ESA) ha intrapreso negli ultimi anni ricerche nel campo dei rivelatori gamma per applicazioni spaziali. Il Politecino di Milano (Polimi) e la Fondazione Bruno Kessler (FBK) sono stati supportati da ESA per migliorare questo tipo di tecnologie. Recenti studi hanno mostrato come scintillatori in Bromuro di Lantanio attivati al cerio (5%) sono particolarmente promettenti come elemento di converiosione in sistemi a rivelazione indiretta di raggi gamma in questo genere di applicazioni. La collaborazione prevede lo sviluppo di uno spettrometro di raggi gamma composto da uno scintillatore da 3”x3” di LaBr3(Ce) letti da una matrice di rivelatori SDD. I principali obiettivi sono raggiungere una risoluzione enrgetica migliore del 3% a 662 keV e un range dinamico compreso tra 150 keV a 15 MeV. Un alto valore di rumore elettronico è un limite nel raggiunger gli obiettivi. Il rumore elettronico è dominato dalla corrente di leakage del rivelatore, che può essere dimezzato raffreddando (raffreddando di 7 °C se ne dimezza il valore), con conseguente miglioramento nella risoluzione energetica. Come conseguenza di questo è stato necessario uno studio sulle proprietà dello scintillatore LaBr3: è stato compreso come in questo tipo di scintillatori un gradiente di temperatura maggiore di 3 °C e/o un raffreddamento maggiore di 8 °C per ora possono provocare la rottura dello scintillare stesso. E’ stato necessario uno studio accurato sul trasferimento del sistema di rivelazione e sulle proprietà dei materiali che influenzano la trasmissione del calore. Per questo motivo sono stati condotti studi teorici e di simulazione tramite software specifici. Test preliminari sono stati condotti per valutare le preformance del controllore di temperatura e un controllore automatico è stato progettato per rispettare le specifiche. Infine, test sperimentali sono stati condotti su un prototipo di scintillatore di 1”x1” in camera climatica per valutare le performance del sistema. Il set-up sperimentale e i test con lo scintillatore sono discussi in questa tesi cosi come gli effetti del deficit balistico, della scelta del tempo di formatura e dell’accoppiamento ottico sulla risoluzione energetica.