Studio di scintillatori accoppiati a SiPM per un tracciatore di particelle cariche

Negli esperimenti con particelle elementari si rende spesso necessario misurarne l’impulso e discriminare il segno della carica con l’ausilio di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce nell'attività preliminare per la realizzazione di uno spettrometro per muoni con impulso nell'intervallo 0.5-4 GeV, posto all'interno di un campo magnetico in aria. Il prototipo di tracciatore su cui sono state condotte le misure presentate in questa tesi è costituito da diversi piani di barre di scintillatore plastico accoppiate a fotomoltiplicatori al Silicio. Le misure di laboratorio sono state finalizzate a determinare la risoluzione spaziale del prototipo a partire dai segnali di muoni cosmici nelle barre di scintillatore. Dalla ricostruzione delle tracce dei muoni è stata determinata una risoluzione spaziale migliore di 2 mm, che risulta adeguata per lo spettrometro che si vuole realizzare.

Prototipo di un tracciatore per particelle cariche con risoluzione millimetrica

Questa tesi si inserisce nell’ambito del progetto WA104-NESSiE al CERN per il quale era richiesto lo sviluppo di un tracciatore di particelle cariche da utilizzare in presenza di campi magnetici e avente una risoluzione sulla posizione ricostruita di 1-2 mm. Il lavoro di tesi ha riguardato l'analisi dei dati raccolti con un prototipo del tracciatore composto da barre di scintillatori a sezione triangolare, accoppiati a SiPM i cui segnali sono acquisiti in modalità analogica. Il prototipo è stato esposto a particelle cariche presso la linea di fascio T9 del PS del CERN nel maggio 2016. La catena di analisi è stata validata con dati provenienti da una simulazione Monte Carlo basata su Geant4 che fornisce la risposta del tracciatore al passaggio di particelle cariche (pioni e muoni) a diversi impulsi (1-10 GeV/c). Successivamente, è stata fatta un'analisi preliminare dei dati reali e un confronto con la simulazione Monte Carlo. La risoluzione ottenuta per pioni di 5 GeV è di ∼ 2 mm, compatibile con il valore ottenuto dalla simulazione Monte Carlo di ∼ 1.5 mm. Questi risultati sono stati ricavati analizzando una frazione degli eventi acquisiti durante il test beam. Una misura più accurata della risoluzione del tracciatore può essere ottenuta introducendo alcune correzioni, come ad esempio l’allineamento dei piani, la ricalibrazione dei segnali dei singoli canali e, infine, analizzando l’intero campione.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

WLS method for parameter estimation in water distribution networks

The weighted-least-squares method based on the Gauss-Newton minimization technique is used for parameter estimation in water distribution networks. The parameters considered are: element resistances (single and/or group resistances, Hazen-Williams coefficients, pump specifications) and consumptions (for single or multiple loading conditions). The measurements considered are: nodal pressure heads, pipe flows, head loss in pipes, and consumptions/inflows. An important feature of the study is a detailed consideration of the influence of different choice of weights on parameter estimation, for error-free data, noisy data, and noisy data which include bad data. The method is applied to three different networks including a real-life problem.

Analysis of wntless (WLS) expression in gastric, ovarian, and breast cancers reveals a strong association with HER2 overexpression

The oncogenic role of WNT is well characterized. Wntless (WLS) (also known as GPR177, or Evi), a key modulator of WNT protein secretion, was recently found to be highly overexpressed in malignant astrocytomas. We hypothesized that this molecule may be aberrantly expressed in other cancers known to possess aberrant WNT signaling such as ovarian, gastric, and breast cancers. Immunohistochemical analysis using a TMA platform revealed WLS overexpression in a subset of ovarian, gastric, and breast tumors; this overexpression was associated with poorer clinical outcomes in gastric cancer (P=0.025). In addition, a strong correlation was observed between WLS expression and human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) overexpression. Indeed, 100% of HER2-positive intestinal gastric carcinomas, 100% of HER2-positive serous ovarian carcinomas, and 64% of HER2-positive breast carcinomas coexpressed WLS protein. Although HER2 protein expression or gene amplification is an established predictive biomarker for trastuzumab response in breast and gastric cancers, a significant proportion of HER2-positive tumors display resistance to trastuzumab, which may be in part explainable by a possible mechanistic link between WLS and HER2.

Sampling, WLS, and Mixed Models

Mixed models may be defined with or without reference to sampling, and can be used to predict realized random effects, as when estimating the latent values of study subjects measured with response error. When the model is specified without reference to sampling, a simple mixed model includes two random variables, one stemming from an exchangeable distribution of latent values of study subjects and the other, from the study subjects` response error distributions. Positive probabilities are assigned to both potentially realizable responses and artificial responses that are not potentially realizable, resulting in artificial latent values. In contrast, finite population mixed models represent the two-stage process of sampling subjects and measuring their responses, where positive probabilities are only assigned to potentially realizable responses. A comparison of the estimators over the same potentially realizable responses indicates that the optimal linear mixed model estimator (the usual best linear unbiased predictor, BLUP) is often (but not always) more accurate than the comparable finite population mixed model estimator (the FPMM BLUP). We examine a simple example and provide the basis for a broader discussion of the role of conditioning, sampling, and model assumptions in developing inference.

Misure di risoluzione temporale di SiPM

In questa si riportano i risultati di uno studio di rosoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM)

Sviluppo di un sistema di rivelazione per l'esperimento FAMU (fisica degli atomi muonici) basato su scintillatore LaBr3 con fotomoltiplicatore UQE e sistema spettrometrico DSP

In questa tesi si sono studiati e sviluppati i rivelatori di fotoni x per l’esperimento FAMU (Fisica degli Atomi Muonici gruppo 3 dell’INFN) che indaga sulla natura e la struttura del protone. I rivelatori sono stati assemblati e testati con elementi che rappresentano lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di radiazione (scintillatori LaBr3(Ce) e fotomoltiplicatori Hamamatsu™ Ultra Bi-Alcali). È stata anche studiata e sviluppata parte della catena di formatura del segnale. Questa è stata implementata su un chip FPGA dell’ALTERA™ con buoni risultati per quanto riguarda la qualità del filtro; le performance dell’FPGA non hanno consentito di raggiungere la velocità di 500MHz richiesta dall’esperimento costringendo l’implementazione ad una velocità massima di 320MHz.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Studies on ToF-PET using Cherenkov radiation

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica di imaging di medicina nucleare, utilizzata oggi diffusamente in ambito clinico. Essa fornisce immagini e informazioni fisiologiche dei processi funzionali all’interno del corpo. La PET si basa sulla rilevazione di fotoni di annichilazione prodotti in seguito al decadimento di un radio farmaco iniettato nel paziente. I rilevatori convenzionali sono costituiti da un materiale scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore, solitamente un PMT o SiPM. Uno sviluppo della PET è la Time of Flight PET (ToF PET), attualmente già in commercio ed utilizzata con prestazioni eccellenti. Un’ulteriore modifica, che potenzialmente permetterebbe di ottenere una migliore risoluzione temporale, è la ToF PET basata sulla rilevazione di fotoni tramite radiazione Cherenkov, invece che luce di scintillazione. Questo lavoro di tesi è incentrato dunque su questa tecnica specifica. Si illustra una rassegna di pubblicazioni scientifiche degli ultimi anni riguardo ad essa con i relativi risultati ottenuti e i possibili sviluppi futuri. Infine si propone un approfondimento personale, nel quale, tramite un programma scritto in ROOT, si è realizzata una geometria di un sistema di rilevazione ToF PET. Esso prevede la rilevazione dei fotoni di annichilazione tramite un radiatore Cherenkov accoppiato ad un SiPM. In futuro questo potrà essere implementato e utilizzato per simulare il processo fisico della PET, verificando la validità e le prestazioni del sistema così sviluppato.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Evaluation of APD and SiPM Matrices as Sensors for Monolithic PET Detector Block

Gamma detectors based on monolithic scintillator blocks coupled to APDs matrices have proved to be a good alternative to pixelated ones for PET scanners. They provide comparable spatial resolution, improve the sensitivity and make easier the mechanical design of the system. In this study we evaluate by means of Geant4-based simulations the possibility of replacing the APDs by SiPMs. Several commercial matrices of light sensors coupled to LYSO:Ce monolithic blocks have been simulated and compared. Regarding the spatial resolution and linearity of the detector, SiPMs with high photo detection efficiency could become an advantageous replacement for the APDs

Silicon Photomultipliers (SiPM) as novel photodetectors for PET

Next generation PET scanners should fulfill very high requirements in terms of spatial, energy and timing resolution. Modern scanner performances are inherently limited by the use of standard photomultiplier tubes. The use of Silicon Photomultipliers (SiPMs) is proposed for the construction of a 4D-PET module of 4.8×4.8 cm2 aimed to replace the standard PMT based PET block detector. The module will be based on a LYSO continuous crystal read on two faces by Silicon Photomultipliers. A high granularity detection surface made by SiPM matrices of 1.5 mm pitch will be used for the x–y photon hit position determination with submillimetric accuracy, while a low granularity surface constituted by 16 mm2 SiPM pixels will provide the fast timing information (t) that will be used to implement the Time of Flight technique (TOF). The spatial information collected by the two detector layers will be combined in order to measure the Depth of Interaction (DOI) of each event (z). The use of large area multi-pixel Silicon Photomultiplier (SiPM) detectors requires the development of a multichannel Data Acquisition system (DAQ) as well as of a dedicated front-end in order not to degrade the intrinsic detector capabilities and to manage many channels. The paper describes the progress made on the development of the proof of principle module under construction at the University of Pisa.

Proof of concept of an imaging system demonstrator for PET applications with SiPM

A PET imaging system demonstrator based on LYSO crystal arrays coupled to SiPM matrices is under construction at the University and INFN of Pisa. Two SiPM matrices, composed of 8×8 SiPM pixels, and 1,5 mm pitch, have been coupled one to one to a LYSO crystals array and read out by a custom electronics system. front-end ASICs were used to read 8 channels of each matrix. Data from each front-end were multiplexed and sent to a DAQ board for the digital conversion; a motherboard collects the data and communicates with a host computer through a USB port for the storage and off-line data processing. In this paper we show the first preliminary tomographic image of a point-like radioactive source acquired with part of the two detection heads in time coincidence.

Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.