Nella Tabella 5.1 sono elencate le tensioni di alimentazione (nella seconda colonna espresse anche come overvoltage), le correnti e i valori di soglia in energia, impostati all’oscilloscopio per selezionare gli eventi di fotopicco, delle coppie di SiPM.
Tabella 5.1: valori di bias, overvoltage, corrente e soglia in energia per i quattro sistemi studiati.
Vbias (V) Vov (V) Corrente (μA) Soglia (mV)
RGB-LYSO SiPM 1 31.95 3.95 2.2 - 2.5 60 SiPM 2 32.2 4 2.3 - 2.4 60 RGB-LFS-3 SiPM 1 32.4 4.4 3.4 - 3.9 172 SiPM 2 33.3 5.1 4.7 - 5 170 NUV-LYSO SiPM 1 29.87 4.37 5 – 5.3 47.6 SiPM 2 29.4 3.8 2.3 – 2.5 50 NUV-LFS-3 SiPM 1 30.5 5 10 - 11 52 SiPM 2 30.7 5.1 11.5 - 11.7 50
Nella Tabella 5.2 sono invece elencate le informazioni relative alle forme d’onde: il numero di forme d’onda acquisite, il numero di forme d’onda eliminate come descritto nel paragrafo 4.2 (da pag. 44 a 46), il numero di forme d’onda effettivamente utilizzate per il calcolo della risoluzione energetica, il numero di eventi di fotopicco sui quali è stata effettuata la procedura di ricerca dei timestamp e conseguente calcolo della CTR.
Tabella 5.2: numero di forme d’onda acquisite, eliminate, effettivamente utilizzate e numero di eventi di fotopicco per i quattro sistemi.
# f.d.o. acquisite # f.d.o. eliminate # f.d.o. utili # eventi di fotopicco
RGB-LYSO 8500 532 7968 1662
RGB-LFS-3 5000 92 4908 2651
NUV-LYSO 4500 36 4464 3021
NUV-LFS-3 5000 82 4918 2119
La Tabella 5.3 mostra i valori medi di rumore; tali valori sono stati utilizzati per effettuare la procedura di correzione della baseline per eliminare il diverso offset negativo di entrambi i canali e
49 ottenere una sovrapposizione delle due bande di rumore, i cui valori superiori sono elencati nella seconda colonna della tabella.
Tabella 5.3: valore di rumore medio e limite superiore della banda trovata.
Rumore medio (mV) Limite superiore banda rumore
(mV) RGB-LYSO SiPM 1 6.78 3.91 SiPM 2 5.22 RGB-LFS-3 SiPM 1 7.81 7.81 SiPM 2 4.69 NUV-LYSO SiPM 1 8.44 2.19 SiPM 2 6.56 NUV-LFS-3 SiPM 1 7.97 5.47 SiPM 2 6.41
Il calcolo delle risoluzioni energetiche e dei relativi errori (Tabella 5.4) si è ottenuto eseguendo un fit gaussiano sul fotopicco come descritto a pag. 42. Come già detto, le tensioni di alimentazione dei SiPM sono state scelte in modo da aver un buon valore di risoluzione energetica e guadagno confrontabile per i due SiPM (Figura 5.2). La soglia di discriminazione è stata selezionata in modo tale da scartare parte degli eventi relativi alla spalla Compton. E’ importante sottolineare che in questo caso non è stato necessario individuare la posizione del piedistallo e poi sottrarne la posizione, poiché gli spettri sono stati calcolati utilizzando le forme d’onda corrette per la baseline eliminando in questo modo anche l’offset nella scala delle energie.
Tabella 5.4: valori di risoluzione energetica e relativi errori per i quattro sistemi con i SiPM alimentati alle tensioni elencate nella Tabella 5.1.
Risoluzione energetica a 511 keV (%)
RGB-LYSO SiPM 1 17.74 ± 1.79 SiPM 2 16.87 ± 2.07 RGB-LFS-3 SiPM 1 10.95 ± 0.96 SiPM 2 12.38 ± 0.96 NUV-LYSO SiPM 1 15.21 ± 0.91 SiPM 2 11.63 ± 0.66 NUV-LFS-3 SiPM 1 11.86 ± 0.64 SiPM 2 14.24 ± 1.06
50 Figura 5.2: esempio di equalizzazione degli spettri. Parte della spalla Compton è stata soppressa impostando la
soglia di discriminazione. Sono riportati anche i relativi fit gaussiani (SiPM NUV accoppiati a cristalli LFS-3).
Una volta ottenuti i valori di CTR utilizzando l’algoritmo implementato come spiegato a pag. 46 e 47, si è ottenuta la curva CTR in funzione della soglia applicata per i quatto sistemi di rivelazione (Figura 5.3); il minimo di ognuna di queste curve rappresenta la migliore risposta temporale per il sistema considerato. I valori ottenuti sono elencati nella Tabella 5.5., insieme ai relativi valori di soglia e al numero di coincidenze effettivamente utilizzate per fare l’istogramma; quest’ultimo numero risulta essere inferiore rispetto agli eventi di fotopicco a causa della finestra temporale applicata per l’eliminazione delle code, come discusso nel capitolo 4 a pag. 47.
Prima di commentare i risultati di CTR ottenuti, è opportuno descrivere quali sono i fattori che influiscono maggiormente sulla risoluzione temporale di un sistema del tipo scintillatore- fotorivelatore.
Tabella 5.5.
Soglia (mV) Numero di coincidenze CTR
RGB-LYSO 2 272 205.09 ± 21.82
RGB-LFS-3 4.4 1275 193.12 ± 18.4
NUV-LYSO 0.9 1236 142.03 ± 15.36
NUV-LFS-3 2 1339 331.63 ± 49.4
Innanzitutto la risoluzione temporale dipende dal tipo di scintillatore utilizzato: non solo relativamente alle sue caratteristiche temporali, quali tempo di salita e tempo di decadimento, ma anche dal numero di fotoni luminosi prodotti, numero che dipende, a parità di energia assorbita,
51 soprattutto dall’ efficienza di scintillazione. Poiché la risoluzione temporale migliora al crescere del numero di fotoni rivelati, è anche importante minimizzare processi di perdita (dovuti per esempio a fenomeni di riflessione) ottimizzando l’accoppiamento ottico tra scintillatore e fotorivelatore. Il fotorivelatore, d’altra parte, deve essere in grado di convertire il maggior numero di fotoni luminosi in impulsi rilevabili e in tempi rapidi: nei SiPM, queste due caratteristiche si traducono nella necessità di avere alte PDE e brevi tempi di recupero. La risoluzione temporale dipende inoltre anche da altri fattori quali: la dispersione temporale al livello della soglia applicata (jitter temporale) e l’influenza del rumore elettronico del sistema (8). In prima approssimazione, è possibile supporre che questi fattori siano indipendenti tra loro per cui possono essere sommati in quadratura:
[5.1]
in cui le varie σ rappresentano rispettivamente la varianza sulla risoluzione temporale totale, del cristallo, del rivelatore, dell’accoppiamento ottico e del sistema di rivelazione, in cui si tiene conto sia del rumore elettronica sia del metodo utilizzato per ricavare l’informazione temporale sull’evento.
Nel caso delle misure effettuate in questo lavoro di tesi, i contributi che maggiormente influiscono sulla risoluzione temporale sono quello dovuto al tipo di scintillatore utilizzato e quello dovuto all’accoppiamento ottico. Il contributo dovuto ai SiPM si può ritenere trascurabile date le loro ottime prestazioni temporali, come visto dalle referenze menzionate nel paragrafo 3.2.
In base alle caratteristiche dei materiali a disposizione, ci si sarebbe aspettato che il sistema con i SiPM NUV accoppiati ai cristalli LFS-3 fornisse il miglior risultato poiché i cristalli presentano una maggiore resa luminosa e un minor tempo di decadimento rispetto ai LYSO, mentre rispetto agli RGB, i NUV presentano una maggiore PDE, un migliore guadagno, minor dark count rate ed una sensibilità di picco più vicina al picco di emissione di entrambi gli scintillatori. Contrariamente a quanto atteso, il rivelatore NUV-LFS-3 presenta il valore più alto di CTR tra quelli ottenuti nelle diverse configurazioni. Ciò è probabilmente dovuto all’aumento del DCR: infatti questa acquisizione è stata ottenuta alimentando i SiPM ad una tensione maggiore rispetto a quella utilizzata nella configurazione NUV-LYSO; il significativo incremento della corrente (da 5.6 – 6 μA a 29.5 V a 10 – 11 μA a 30.5 V per il SiPM1, da 2.9 – 3.1 μA a 29.6 V a 11.5 – 11.7 μA a 30.7 V per il SiPM2) potrebbe indicare che le tensioni applicate non siano ottimali per garantire le migliori prestazioni dei SiPM. In generale, come già detto precedentemente, il DCR aumenta al crescere della tensione di overvoltage e ciò comporta un peggioramento della risoluzione temporale. Gli altri risultati invece sembrano abbastanza in linea con quelli ottenuti in altri esperimenti, uno tra i quali (42) ha confrontato la CTR dei cristalli LYSO e LFS-3 accoppiati a nuovi SiPM
52 caratterizzati da un elevato fill factor e ottenendo una CTR di 148 ps FWHM per gli LFS-3 e 170 ps FWHM per i LYSO. Altri fattori di errore che potrebbero essere entrati in gioco in tutte le misure effettuate sono: un diverso accoppiamento ottico, possibili mal posizionamenti dei cristalli sui SiPM, un diverso avvolgimento dei cristalli con il teflon, altre variazioni delle condizioni di misura dovuti a o cambiamenti della temperatura ambientale o all’ingresso di luce esterna dovuta ad una peggiore copertura del sistema.
Figura 5.3: le figure mostrano la curva CTR vs. soglia e l’istogramma, con relativo fit gaussiano, dei migliori risultati ottenuti rispettivamente per RGB-LYSO (a), RGB-LFS-3 (b), NUV-LYSO (c), NUV-LFS-3 (d).
54
CONCLUSIONI
I risultati di CTR ottenuti sono abbastanza soddisfacenti. Sicuramente è possibile migliorare ulteriormente le prestazioni temporali cercando innanzitutto di ottimizzare l’accoppiamento ottico, rivestendo in modo accurato i cristalli con materiale riflettente e garantendo le migliori condizioni di buio del set-up sperimentale per impedire che luce esterna possa disturbare le misure. Sarebbe inoltre opportuno lavorare raffreddando l’intero set-up poiché è dimostrato come in questo modo sia possibile ridurre i DCR e migliorare di conseguenza la risoluzione temporale del sistema. Alternativamente, si potrebbero ripetere le misure più volte per eliminare statisticamente il contributo della variazione di accoppiamento ottico, rivestimento dei cristalli, condizioni di buio, temperatura e rumore. E’ altresì importante individuare l’ottimale tensione di overvoltage dei SiPM e cercare di uniformare il loro guadagno.
Le prestazioni temporali dei sistemi scintillatore-SiPM sono comunque destinati a migliorare visti gli ultimi sviluppi riguardanti i SiPM: la Fondazione Bruno Kessler (FBK, Trento) ha infatti sviluppato una nuova tecnologia di SiPM RGB, modificando le caratteristiche della giunzione p-n allo scopo di ottenere un minore campo elettrico all’interno della regione di moltiplicazione. In questo modo la nuova giunzione permette una riduzione dei DCR, una elevata uniformità della tensione di breakdown, una maggiore stabilità della temperatura ed un aumento della PDE nella regione spettrale del rosso, verde e blu: il miglioramento di questi aspetti sono alla base dell’integrazione dei SiPM in sistemi di rivelazione a larga area come gli scanner PET/MR (43). La nuova giunzione è stata utilizzata anche per costruire dei SiPM RGB ad alta densità, caratterizzati da celle più piccole ad alto fill factor (i dispositivi 2.2 x 2.2 mm2 hanno 21000 celle di area 15 x 15 μm2
e FF del 48% analogo a quello delle celle da 50 x 50 μm2 della vecchia tecnologia di RGB, mentre i dispositivi 4 x 4 mm2 hanno 18000 celle di area 30 x 30 μm2 e FF del 75%) con conseguente miglioramento del range dinamico e riduzione dell’excess noise factor (44).
Sviluppi futuri prevedono anche l’utilizzo di scintillatori veloci come il LaBr3: finora, la difficoltà nel suo utilizzo è dovuta principalmente alla sua igroscopicità, ma il problema può essere aggirato utilizzando degli appositi incapsulamenti o effettuando le misure a basse percentuali di umidità, come fatto da Schaart et al. i quali, accoppiando i cristalli LaBr3 a SiPM, hanno raggiunto una CTR di circa 100 ps FWHM (45).
55
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