Le matrici che sono state utilizzate durante le misure sono composte da 4 × 4 SiPM ciascuno di 1 × 1 mm2 con microcelle da 40 × 40 µm2 (figura 4.3). I SiPM hanno caratteristiche similari tra loro e sono montati su un substrato comune. Tutte le misure svolte con i SiPM singoli sono state ottenute con la
Figura 4.3: Matrice di SiPM utilizzata durante le misure.
4.3 Curve tensione-corrente 111
4.3
Curve tensione-corrente
Sono state calcolate le curve IV per i SiPM montati sulla matrice. Le cur- ve sono state ottenute misurando la corrente di dark che scorre sui SiPM tenendo aperto il circuito sui canali di non interesse e chiudendo il circuito solo sul canale connesso al SiPM sul quale si `e misurata la curva IV. Dal grafico si osserva che la risposta in corrente rimane circa la stessa in tutti i SiPM variando la tensione della stessa quantit`a. Infatti si pu`o anche osser- vare una uniformit`a della tensione di breakdown. Dalle curve IV risulta un
Figura 4.4: Curve IV misurate con 4 SiPM limitrofi posti sulla matrice.
aumento della corrente di buio per tensioni superiori alla tensione di break- down nei SiPM montati sulla matrice rispetto ai SiPM singoli. La tensione di breakdown `e di circa 32V e rimane stabile anche quando si chiudono in contemporanea diversi canali. `E stato tuttavia osservato un aumento del- la corrente di buio dopo alcuni minuti dall’accensione della scheda dovuto, probabilmente, all’aumento della temperatura della scheda stessa.
112 Caratterizzazione degli array 2D di SiPM
Figura 4.5: Fit delle curve IV misurate con 4 SiPM limitrofi posti sulla matrice.
4.4
Guadagno
Come nelle misure di singolo SiPM `e stato calcolato il guadagno di ogni pixel della matrice tramite dark rate a varie tensioni di overvoltage (figura 4.6) e tramite spettro di singolo fotone a 1V overvoltage (figura 4.7), a 1.5V overvoltage (figura 4.8), a 2V overvoltage (figura 4.9, a 1.8V overvoltage (figura 4.10) e a 2V overvoltage (figura 4.11). Entro gli errori statistici, il guadagno di ogni pixel `e uguale a quello degli altri pixels della matrice e aumenta linearmente con la tensione di overvoltage (figura 4.12). I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalle misure su singolo SiPM e presentano un buon accordo entro gli errori strumentali (tabella 4.1).
4.4 Guadagno 113
Figura 4.6: Misure di dark rate a diverse tensioni di overvoltage per un canale della matrice.
114 Caratterizzazione degli array 2D di SiPM
Figura 4.8: Spettro di singolo fotone misurato a 1.5V overvoltage.
4.4 Guadagno 115
Figura 4.10: Spettro di singolo fotone misurato a 1.8V overvoltage.
116 Caratterizzazione degli array 2D di SiPM
Figura 4.12: Linearit`a del guadagno dei pixels della matrice.
Guadagno SiP M singoli Guadagno SiP M matrice 1V overvoltage (0.94 ± 0.04) · 106 (0.87 ± 0.05) · 106 2V overvoltage (1.42 ± 0.07) · 106 (1.25 ± 0.07) · 106 3V overvoltage (1.9 ± 0.1) · 106 (1.68 ± 0.09) · 106
Tabella 4.1: Confronto fra guadagno SiPM singoli e SiPM della matrice misurato tramite spettri di dark rate.
4.5 Risoluzione Energetica 117
4.5
Risoluzione Energetica
Per acquisire spettri di 22N a, la matrice `e stata accoppiata con uno scintil- latore LYSO (2 × 2 × 10mm3) che `e stato precedentemente pulito in tutti i lati e ricoperto da Teflon bianco (PTFE). Lo scintillatore copre un area della matrice composta da quattro SiPM limitrofi. In questo modo ogni evento prodotto dalla sorgente radioattiva accoppiata con lo scintillatore, `e rivelato da 4 SiPM in contemporanea. Per riuscire ad accoppiare lo scintillatore in modo da ricoprire solo i SiPM di interesse `e stato utilizzato un supporto hol- der in plexiglass, forato al centro. Il supporto, posizionato sopra la matrice, permette di accoppiare cristallo e SiPM con una miglior precisione senza do- ver muovere la PCB.
I segnali provenienti dai singoli SiPM sono stati elaborati con l’apparato sperimentale visto in sezione 3.6.1 figura 3.25. Gli spettri di22N a sono stati acquisiti con l’integratore di carica (QDC). Ogni spettro acquisito con l’in- tegratore di carica `e stato calibrato in modo che il guadagno fosse lo stesso per ogni SiPM. Infine la carica totale di ogni evento prodotto dal radionu- clide `e stata ottenuta sommando la carica misurata da ogni SiPM per quello specifico evento.
Sono stati ottenuti spettri di22N a a varie tensioni della matrice: 2.5V over- voltage (figura 4.13), 3V overvoltage (figura 4.14) e 3.5V overvoltage (figura 4.15). In figura 4.15 `e mostrato lo spettro di22N a ottenuto a una tensione di 3.5V overvoltage con quattro canali della matrice. La risoluzione energetica di questo spettro `e maggiore di quella misurata nello spettro di 22N a otte- nuto da un singolo SiPM della matrice (figura 4.17). Questo `e dovuto, da un lato al non perfetto accoppiamento tra la matrice e il cristallo scintillatore 2x2 mm2, dall’altro alla saturazione che si ha accoppiando SiPM singoli a cristalli 1x1 mm2. Infatti si osserva una risoluzione energetica del 22% circa contro il ∼ 26% misurata dallo spettro con quattro canali.
Tuttavia si trova un buon accordo tra la risoluzione energetica misurata dal- lo spettro a 4 canali e la risoluzione energetica trovata utilizzando i SiPM singoli e calibrando lo spettro per la saturazione come visto in sezione 3.6.3. Infatti, in entrambi i casi si trova una risoluzione energetica del 26% circa a 3V overvoltage (figure 4.14 e 3.41).
118 Caratterizzazione degli array 2D di SiPM
Figura 4.13: Spettro di 22N a acquisito con 4 canali della matrice a una tensione di 2.5 overvoltage utilizzando la PCB. Risoluzione energetica ∼ 27%
Figura 4.14: Spettro di 22N a acquisito con 4 canali della matrice M8 a una tensione di 3V overvoltage utilizzando la PCB. Risoluzione energetica ∼ 26%
4.5 Risoluzione Energetica 119
Figura 4.15: Spettro di 22N a acquisito con 4 canali della matrice M8 a una tensione di 3.5V overvoltage utilizzando la PCB. Risoluzione energetica ∼ 26%
Figura 4.16: Spettro di 22N a acquisito con un canale della matrice a una tensione di 3V overvoltage e con cristallo scintillatore LYSO (1x1x10 mm3). Risoluzione energetica ∼ 22%.
120 Caratterizzazione degli array 2D di SiPM
Figura 4.17: Spettro di 22N a acquisito con un canale della matrice a una tensione di 3.5V overvoltage e con cristallo scintillatore LYSO (1x1x10 mm3). Risoluzione energetica ∼ 22%.
Conclusioni
In questo lavoro di tesi sono state studiate le caratteristiche spettroscopiche dei SiPM dando particolare importanza a quelle richieste in un sistema di imaging PET.
Innanzitutto sono state analizzate le curve di tensione - corrente per garan- tire il corretto comportamento dei singoli SiPM. In questa fase alcuni di essi sono stati scartati dalle successive misure perch`e non presentavano corrette curve IV. Questo mal funzionamento `e dovuto principalmente al fatto che al- cune microcelle dei SiPM possono essere danneggiate. In questa fase `e stata inoltre stimata la tensione di breakdown che risulta relativamente bassa (v`a dai 31V ai 36V contro i ∼ 1000V richiesti da un PMT).
Successivamente `e stato stimato il guadagno interno dei SiPM con microcel- le di dimensioni 40x40 µm2 e 50x50 µm2 utilizzando due tecniche diverse: tramite lo spettro di singolo fotone e con il dark count rate. Entro gli erro- ri strumentali `e stato trovato un buon accordo tra i dati ottenuti dalle due tecniche. `E stato stimato un guadagno molto elevato a basse tensioni opera- zionali: a 3V overvoltage circa 2 · 106 per SiPM con microcelle 40x40 µm2 e circa 2.6 · 106 per SiPM con microcelle 50x50 µm2.
Uno svantaggio di questi dispositivi `e stato riscontrato nella saturazione. Tuttavia `e stato trovato un metodo per controllare e risolvere questo proble- ma. Sono state, infatti, effettuate calibrazioni in scala energetica dei SiPM singoli a varie tensioni operazionali. Da queste sono stati ricavati i parametri
122 Conclusioni
che meglio si adattano alle curve di saturazione. Grazie a questi parametri `e possibile correggere gli spettri di emissione e soprattutto lo spettro del22N a che ha un picco di annichilazione di 511 keV, utile ai fini della PET. La ri- soluzione energetica calibrata del fotopicco `e circa del 24% a una tensione operazionale di 4V overvoltage. `E stata infine stimata una risoluzione tem- porale molto buona (circa di 400 ps a 4V overvoltage contro i 20-80 ns del PMT).
Per utilizzare i SiPM come fotorivelatori PET `e necessario avere dei sistemi con dimensioni maggiori rispetto a quelle del singolo SiPM (1 mm2). Per questo motivo sono state realizzate matrici di SiPM. Grazie alla scheda PCB creata dalla sezione INFN dell’univerit`a degli studi di Bari `e stato possibile studiare una di queste matrici composta da 4x4 SiPM cresciuti su un sub- strato comune: essi, per essere utilizzati, devono avere caratteristiche uguali. Per verificare questa uguaglianza tra i SiPM della matrice sono state misura- te le curve IV ed `e stato verificato che il guadagno di ogni SiPM fosse uguale al guadagno degli altri SiPM posti sulla matrice. Infine `e stato misurato lo spettro del 22N a utilizzando 4 SiPM contemporaneamente. A una tensione operazionale di 3V overvoltage `e stata trovata una risoluzione energetica del fotopicco a 511 keV circa del 26%, analoga a quella trovata con i SiPM singoli dopo la correzione per la saturazione.
Con il setup utilizzato per questo lavoro di tesi non `e ancora possibile verifica- re la risoluzione temporale tra due matrici di SiPM. In futuro verr`a misurata la risoluzione temporale tra una matrice di SiPM e il tubo fotomoltiplicatore. I SiPM sono dispositivi robusti, compatti, con bassa tensione operazionale. Inoltre l’insensibilit`a al campo magnetico li rende una alternativa al PMT. Per questa loro peculiarit`a verr`a presto studiato il loro comportamento in pre- senza di forti campi magnetici. Questo studio sar`a mirato al miglioramento dei SiPM perch`e vengano utilizzati nei sistemi di imaging PET-MRI.
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Ringraziamenti
Desidero ringraziare tutte le persone che mi sono state vicine durante questo lavoro di tesi. In particolar modo desidero ringraziare professor Del Guerra per avermi accolto come tesista nel suo gruppo di lavoro. Ringrazio Gabriela per avermi aiutato in tutti i momenti di difficili e per avermi indirizzato sempre verso la strada giusta da intraprendere. Un enorme grazie a Enrico per aver trovato belli i miei terribili spettri!
Ringrazio i miei genitori che mi hanno sempre motivato e che mi hanno dato la spinta giusta ad andare avanti. Un ringraziamento speciale va anche a mio fratello Sebastian, per la pazienza e la comprensione nell’inviarmi, per posta, le chiavi di casa.
Un grandissimo ringraziamento va a Gabriele, per essermi stato sempre vi- cino in questi anni, per avermi sopportato anche nei momenti difficile e per avermi sempre dato una parola d’incoraggiamento.
Un GRAZIE a tutte le persone che ho incontrato a Pisa: a partire dai 00fascettiani00 MariaTersa, Alessio, Alessia, Luka, Fabio e Jacopo, grazie per aver condiviso con me le serate a mensa e le passeggiate notturne. Grazie anche a Lo Ste, per avermi sempre criticato (costruttivamente) e alla Cicci per i suoi meravigliosi muffins.
128 Ringraziamenti
Giuditta e Tiziana. Grazie per aver condiviso con me le gioie ma sopratutto i dolori del collegio; grazie delle feste e delle serate passate insieme.
Ringrazio i veri Amici : ringrazio Giada perch`e lei pi`u di tutti ha saputo leg- gere dentro di me, ha saputo amare i miei pregi e soprattutto i miei difetti, ha saputo capirmi, ascoltarmi, ha saputo dividere con me le lacrime e le risate, e per la nostra amicizia che ogni giorno diventa sempre pi`u importante. Ringrazio Giulia per le innumerevoli serate passate assieme, per tutti i suoi preziosi consigli, per avermi aperto gli occhi quando ero accecata, perch`e `e la prova che l’amicizia, quella sincera pu`o andare oltre la distanza.
Ringrazio Guido per avermi consolato nei momenti difficili, per la compagnia nei momenti di solitudine e per avermi insegnato a fare la 00brava ragazza00. Ringrazio Andrea per essermi sempre stato vicino in tutti questi anni, nono- stante la distanza che ci separa.
Un particolare ringraziamento v`a ai ragazzi dell’RCDG di Trieste: a Gian- luca, Gianfranco, Claudia, Claudio, il Seta, Zulian, Federico e la Chiaretta, Mirko e Francesca. Grazie anche alle direttrici Loredana e Monica per la gentile ospitalit`a.
Infine ringrazio tutte le persone che non ho nominato ma che sono comunque nel mio cuore, e anche coloro i quali sono entrati nella mia vita anche solo per pochi attimi.
Sarah Bassi Pisa, 23 Settembre 2008