Littérature scientifique sur le sujet « Rivelatori gamma »

Context. The investigation of activity periods in time-tagged data samples is a topic of great interest. Among astrophysical samples, gamma-ray sources are widely studied, due to the huge quasi-continuum data set available today from Fermi-LAT (Fermi Large Area Telescope) and the AGILE-GRID (Astro Rivelatore Gamma a Immagini LEggero-Gamma Ray Imaging Detector) Aims. To reveal flaring episodes of a given gamma-ray source, researchers make use of binned light curves. This method suffers from several drawbacks: the results depend on time-binning and the identification of activity periods is difficult for bins with a low signal-to-noise ratio. A different approach is investigated in this paper. Methods. We developed a general temporal-unbinned method to identify flaring periods in time-tagged data and discriminate statistically significant flares. We propose an event clustering method in one dimension to identify flaring episodes, and scan statistics to evaluate the flare significance within the whole data sample. This is a photometric algorithm. The comparison of the photometric results (e.g. photometric flux, gamma-ray spatial distribution) for the identified peaks with the standard likelihood analysis for the same period is mandatory to establish if source confusion is spoiling results. Results. The procedure can be applied to reveal flares in any time-tagged data sample. The result of the proposed method is similar to a photometric light curve, but peaks are resolved, they are statistically significant within the whole period of investigation, and peak detection capability does not suffer time-binning related issues. The study of the gamma ray activity of 3C 454.3 and of the fast variability of the Crab Nebula are shown as examples. The method can be applied for gamma-ray sources of known celestial position, for example, sources taken from a catalogue. Furthermore the method can be used when it is necessary to assess the statistical significance within the whole period of investigation of a flare from an unknown gamma-ray source. Extensive results based on this analysis method for some astrophysical problems are the subject of a forthcoming paper.

La scintigrafia miocardica con l’utilizzo del sestamibi marcato con Tecnezio 99m e metaiodobenzilguanidina (MIBG) marcata con Iodio123, ha lo scopo di mettere in correlazione lo studio della perfusione cardiaca, ottenuta dalla distribuzione del 99mTc, e la valutazione dell'innervazione cardiaca-simpatica che può essere direttamente studiata con un analogo della noradrenalina radiomarcato con Iodio 123 che riflette l'integrità neuronale visualizzando il recupero e l’ uptake nei terminali simpatici cardiaci. Tale studio fatto utilizzando gamma camere di nuova generazione, che adoperano rivelatori composti da cristalli di Tellurio di Cadmio Zincato(CZT) utilizzate esclusivamente per la valutazione miocardica, ha dimostrato come la perfusione combinata all’imaging d’ innervazione simpatica, consente la valutazione della discrepanza di innervazione-perfusione.

L’uso dei rivelatori a semiconduttore ha avuto, negli anni, un’importanza strategica nella spettroscopia X e gamma (1 keV – 2 MeV), con eccellenti risultati sia in applicazioni mediche che astrofisiche. L’imaging medicale (mammografia, tomografia computerizzata), il monitoraggio ambientale (radiazione di fondo), rivelatori da piano focale per telescopi X in astrofisica e sistemi di fluorescenza a raggi X nei Beni Culturali ne rappresentano alcune importanti applicazioni. I rivelatori a semiconduttore hanno trovato largo impiego grazie alle loro interessanti proprietà soprattutto se confrontate con i sistemi di rivelazione tradizionali (a gas e scintillatori); un migliore rapporto segnale-rumore e quindi una migliore risoluzione energetica grazie alla piccola energia media di ionizzazione. Inoltre, grazie alla loro elevata densità rispetto ai rivelatori a gas garantiscono una migliore efficienza di rivelazione con la possibilità di realizzare sistemi compatti e portatili. I materiali tradizionalmente utilizzati per la realizzazione di rivelatori per spettroscopia X e gamma sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Nonostante le buone proprietà di trasporto dei portatori di carica e l’eccellente livello di purezza, il modesto numero atomico (Si: Z = 14; Ge: Z = 32) ne limita l’efficienza di rivelazione in range energetici elevati (raggi X duri e gamma), mentre la stretta band gap (Si: ∼ 1.1 eV; Ge: ∼ 0.7 eV) non ne consente l’uso in condizioni di temperatura ambiente. Negli ultimi due decenni, sono stati proposti e studiati nuovi rivelatori basati su semiconduttori composti (GaAs, HgI2, CdTe, CdZnTe, TlBr) con band gap e numero atomico maggiori del Si e Ge, capaci di garantire buone prestazioni anche a temperatura ambiente. Il tellururo di cadmio (CdTe) ne rappresenta uno dei materiali più promettenti, caratterizzato da un elevato numero atomico (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg = 1.44 eV) e da un’ampia band gap (∼ 1.44 eV). Nonostante le interessanti proprietà fisiche, i principali inconvenienti di questi rivelatori sono legati ai fenomeni di trapping dei portatori di carica dovuti a difetti ed impurità presenti nei cristalli. Tradizionalmente, i rivelatori CdTe sono realizzati con contatti ohmici (Pt, Au) su entrambi gli elettrodi (anodo e catodo), grazie alle correnti di leakage piuttosto contenute (< 10 nA). Al fine di potere incrementare il campo elettrico, con conseguenti miglioramenti nell’efficienza di raccolta, senza eccessivi aumenti della corrente di leakage, i rivelatori CdTe sono anche realizzati con contatti raddrizzanti sull’anodo (In, Al) e ohmici sul catodo (Pt, Au). L’impossibilità di creare strutture a pixel sull’anodo in indio, utili per migliorare le proprietà spettroscopiche, rappresenta il principale aspetto critico di tale configurazione. Per questo motivo sono stati proposti e studiati nuovi rivelatori CdTe con contatti in alluminio. Tuttavia, il principale inconveniente di cui soffrono questi ultimi è l’instabilità temporale (polarizzazione) che comporta una degradazione delle prestazioni spettroscopiche nel tempo; ovvero, un peggioramento della risoluzione energetica, la variazione della calibrazione in energia ed una riduzione dell’efficienza di rivelazione. Questo fenomeno che tra l’altro comporta una riduzione della zona attiva del rivelatore, si manifesta con maggior rapidità ad alte temperature e a basse tensioni ed è riconducibile alla ionizzazione dei centri accettori profondi (detrapping) presenti nel semiconduttore. In questo lavoro sono stati presentati nuovi prototipi di rivelatori CdTe con caratteristiche raddrizzanti, realizzati con anodo in alluminio (Al) sia di tipo planare che a pixel. Lo scopo del presente lavoro è quello di studiare sperimentalmente le proprietà elettriche e spettroscopiche dei rivelatori focalizzando l’attenzione sui meccanismi di trasporto di carica e sul fenomeno della polarizzazione. Il presente lavoro è parte integrante di un progetto di ricerca più ampio, portato avanti da un gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Chimica dell’Università di Palermo, che ha lo scopo di sviluppare sistemi portatili di rivelazione avanzati, in grado di fare imaging e spettroscopia ad elevata risoluzione in un’ampia gamma di energie (1 – 150 keV) e soprattutto anche in condizioni di flusso proibitive (> 106 fotoni/mm2/sec), per applicazioni mediche (mammografia, tomografia) ed industriali (ispezioni e controlli di qualità). Il primo capitolo illustra le principali proprietà fisiche del CdTe, i particolari meccanismi che regolano il contatto metallo-semiconduttore, i fenomeni di polarizzazione ed infine le principali applicazioni dei rivelatori CdTe. Il secondo capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettrica di rivelatori CdTe planari, focalizzando l’attenzione sui meccanismi di trasporto di carica e sugli effetti della polarizzazione. Nel terzo capitolo sono riportati i risultati della caratterizzazione spettroscopica dei rivelatori nel range 22 – 122 keV, con particolare attenzione alla correlazione tra i fenomeni elettrici e spettroscopici dovuti alla polarizzazione. Il quarto capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettro-ottica Le attività sperimentali sono state effettuate presso l’Istituto di Fisica dell’Università della Charles University di Praga durante un periodo di permanenza all’estero sotto la guida del direttore dell’Istituto, il Prof. Jan Franc. Infine, nel quinto capitolo vengono presentate le proprietà elettriche di un rivelatore CdTe a pixel.
Over the years the use of semiconductor detectors has had a strategic importance in X and gamma (1 keV – 2 MeV) spectroscopy, with excellent results both in medical and astrophysics applications. The medical imaging (mammography, computed tomography), environmental monitoring (CMB) from the focal plane detectors for X telescopes and astrophysical systems, X-ray fluorescence in the Cultural Heritage represent some important applications. The semiconductor detectors have been widely used due to their interesting properties especially when compared with the conventional detection systems (gas and scintillators); a better signal-noise ratio and therefore a better energy resolution, thanks to the small average energy of ionization. Moreover, thanks to their high density compared to gas detectors provide improved detection efficiency with the possibility of achieving compact and portable systems. The materials traditionally used for the realization of detectors for X and gamma spectroscopy are silicon (Si) and germanium (Ge). Despite the good transport properties of charge carriers and the excellent level of purity, the low atomic number (Si: Z = 14; Ge Z = 32) limits the detection efficiency in the range of high energy (hard X-rays and gamma), while the narrow band gap (Si ~ 1.1 eV, Ge: ~ 0.7 eV) does not allow to operate in ambient temperature conditions. Over the past two decades, have been proposed and studied new detectors based on compound semiconductors (GaAs, Hgl2, CdTe, CdZnTe, TlBr) with band gap and atomic number greater than the Si and Ge, which are able to ensure good performance even at room temperature. The cadmium telluride (CdTe) represents one of the most promising materials, characterized by a high atomic number (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg 1.44 eV) and a large band gap (~ 1.44 eV). Despite the interesting physical properties, the main disadvantages of these detectors are related to the phenomena of trapping of charge carriers due to defects and impurities present in the crystals. CdTe detectors are usually realized with ohmic contacts (Pt, Au) on both electrodes (anode and cathode), due to the low leakage currents (< 10 nA). In order to be able to increase the electric field, with consequent improvements of the collection efficiency, without excessive increases of the leakage current, the CdTe detectors are also made with anode blocking contacts (e.g. In, Al) and ohmic on the cathode (Pt, Au). The main critical aspect of such a configuration is the inability to create anode pixel structures, which are useful for improving the spectroscopic properties. For this reason, have been proposed and studied new CdTe detectors with aluminium contacts. However, the main drawback of these detectors is the temporal instability (polarization), which entails a degradation of spectroscopic performance over time, namely, a deterioration of the energy resolution, the variation of the calibration in energy and the reduction in the detection efficiency. This phenomenon, which is due to the over time reduction of the active zone of the detector, occurs more rapidly at high temperatures and low bias voltages and is due to the ionization of deep acceptor centers (detrapping) present in the semiconductor. In this work are presented new prototypes of CdTe detectors with blocking contact, made with anode aluminium (Al), with planar and pixel structures. The purpose of this work is to study experimentally the electrical and spectroscopic properties of these detectors, focusing on the mechanisms of charge transport and the phenomenon of polarization. The present work is part a research project, carried out by a research group of the Department of Physics and Chemistry, University of Palermo, which aims to develop advanced portable detection systems, able to do imaging and high-resolution spectroscopy, in a wide energy range (1 – 150 keV), and to operate also under high fluences (> 106 fotoni/mm2/sec), that can be used for medical (mammography, tomography) and industrial (inspections and controls quality) applications. The first chapter presents the basic physical properties of the CdTe material, the specific mechanisms that regulate the metal-semiconductor contact, the phenomena of polarization and finally the main applications of CdTe detectors. The second chapter presents the results of the electrical characterization of planar CdTe detectors, focusing on the charge transport mechanisms and the polarization phenomenon. The third chapter summarizes the results of the spectroscopic characterization of the investigated detectors in the 22 – 122 keV range, focusing on the effects of the polarization and the correlation between electrical and spectroscopic phenomena. The fourth chapter presents the results of electro-optical characterization. These experiments were carried out at the Institute of Physics of the Charles University in Prague, during a period spent living abroad, under the guidance of the Director of the Institute, the Prof. Jan Franc. Finally, in the fifth chapter the results of the electrical characterization of a pixel CdTe detector are presented.

La disintegrazione dei nuclei atomici si traduce in una emissione di vari tipi di radiazioni e particelle tra cui neutroni e raggi gamma. La rivelazione dei neutroni comporta l’utilizzo di rivelatori a scintillazione e tecniche di analisi per poter identificare e ottenere informazioni sull’energia dei neutroni. Il processo di scintillazione per la rivelazione dei neutroni consiste nell’interazione con i nuclei del materiale e successiva emissione luminosa dovuta a ionizzazione degli atomi del rivelatore. La luce e in seguito convertita in impulsi elettrici, i quali possono essere analizzati con opportune tecniche. L’emissione di neutroni `e accompagnata da emissione di raggi gamma e quindi `e necessario identificare i neutroni. Rivelatori basati su scintillatori organici vengono spesso impiegati nella spettrometria neutronica ad energie superiori di 0.5 MeV ed in una vasta gamma di applicazioni come la medicina, l’industria e la radioprotezione. La rilevazione dei neutroni `e molto importante nello studio delle reazioni nucleari di bassa energia e nello studio della materia nucleare lontano dalla valle di stabilita. In questo lavoro abbiamo studiato tre algoritmi: Zero Crossing, Charge Comparison e Pulse Gradient Analysis. Questi algoritmi sono stati in seguito applicati all’analisi di un insieme di dati provenienti dalla reazione nucleare 7Li(p,n)7Be. E stato utilizzato uno scintillatore organico liquido BC501. Si `e effettuato un confronto tra le varie tecniche utilizzate per determinare il grado di discriminazione ottenuto con ognuna di esse. I risultati ottenuti permettono di decidere in seguito quale algoritmo si presta ad essere utilizzato anche in altri esperimenti futuri. Il metodo Pulse Gradient Analysis `e risultato il piu` prometente, essendo anche possibile l’utilizzo on-line.

The environmental radioactivity monitoring programs start in the late 1950s of the 20th century following the global fallout from testing of nuclear weapons in the atmosphere, becoming a cause of concern regarding health effects. Later, the necessity of world industrialization for new energy sources led to develop national plans on electricity production from nuclear technology, initializing in this context world wide exploration for fuel minerals: uranium exploration gained a particular attention in late 1940's in USA, Canada and former USSR and in 1951 in Australia with respective national plans. Nowadays there are about 440 nuclear power plants for electricity generation with about 70 more NPP under construction giving rise to the nuclear emergency preparedness of a large number of states (like Radioactivity Environmental Monitoring (REM) data bank and EUropean Radiological Data Exchange Platform (EURDEP). Furthermore, a lot of applications in the field of geosciences are related to the environmental radioactivity measurements going from geological mapping, mineral exploration, geochemical database construction to heat -flow studies. Gamma-ray spectroscopy technique is widely used when dealing with environmental radioactivity monitoring programs. The purpose of this work is to investigate the potentialities that such a technique offers in monitoring radioactivity concentration through three different interventions in laboratory, in-situ and airborne measurements. An advanced handling of gamma-ray spectrometry method is realized by improving the performances of instruments and realizing and testing dedicated equipments able to deal with practical problems of radioactivity monitoring. For each of these gamma-ray spectrometry methods are faced also the problems of calibration, designing of monitoring plans and data analyzing and processing. In the first chapter I give a general description for the common radionuclides present in the environment having a particular interest for monitoring programs. Three categories of environmental radionuclides classified according to their origin as cosmogenic, primordial and man-made are discussed. The cosmic rays continuously produce radionulides and also direct radiation, principally high energetic muons. Cosmogenic radionuclides are originated from the interaction of cosmic rays with stable nuclides present in the Earth’s atmosphere. Primordial radionuclides are associated with the phenomenon of nucleosynthesis of the stars and are present in the Earth’s crust. Man-made radionuclides commonly present in natural environments are principally derived from radioactive fallout from atmospheric nuclear weapons testing and peaceful applications of nuclear technology like nuclear power plants for electricity generation and the associated nuclear fuel cycle facilities. A relevant contribution, generally with local implication comes from the so called non-nuclear industries which are responsible for technologically enhancement of natural radioelements producing huge amounts of naturally occurring radioactive materials (NORM/TENORM). In the second chapter is described a homemade approach to the solution of the problem rising in monitoring situations in which a high number of samples is to be measured through gamma-ray spectrometry with HPGe detectors. Indeed, in such cases the costs sustaining the manpower involved in such programs becomes relevant to the laboratory budget and sometimes becomes a limitation of their capacities. Manufacturers like ORTEC® and CANBERRA produce gamma-ray spectrometers supported by special automatic sample changers which can process some tens of samples without any human attendance. However, more improvements can be done to such systems in shielding design and detection efficiency. We developed a fully automated gamma-ray spectrometer system using two coupled HPGe detectors, which is a well known method used to increase the detection efficiency. An alternative approach on shielding design and sample changer automation was realized. The utilization of two coupled HPGe detectors permits to achieve good statistical accuracies in shorter time, which contributes in drastically reducing costs and man power involved. A detailed description of the characterization of absolute full-energy peak efficiency of such instrument is reported here. Finally, the gamma-ray spectrometry system, called MCA_Rad, was used to characterize the natural radioactivity concentration of bed-rocks in Tuscany Region, Italy. More than 800 samples are measured and reported here together with the potential radioactivity concentration map of bed rocks in Tuscany Region. In the third chapter is described the application of portable scintillation gamma -ray spectrometers for in-situ monitoring programs focusing on the problems of calibration and spectrum analysis method. In-situ γ-ray spectrometry with sodium iodide scintillators is a well developed and consolidated method for radioactive survey. Conventionally, a series of self-constructed calibration pads prevalently enriched with one of the radioelements is used to calibrate this portable instrument. This method was further developed by introducing the stripping (or window analysis) described in International Atomic Energy Agency (IAEA) guidelines as a standard methods for natural radioelement exploration and mapping. We realized a portable instrument using scintillation gamma-ray spectrometers with sodium iodide detector. An alternative calibration method using instead well-characterized natural sites, which show a prevalent concentration of one of the radioelements, is developed. This procedure supported by further development of the full spectrum analysis (FSA) method implemented in the non-negative least square (NNLS) constrain was applied for the first time in the calibration and in the spectrum analysis. This new approach permits to avoid artifacts and non physical results in the FSA analysis related with the χ2 minimization process. It also reduces the statistical uncertainty, by minimizing time and costs, and allows to easily analyze more radioisotopes other than the natural ones. Indeed, as an example of the potentialities of such a method 137Cs isotopes has been implemented in the analysis. Finally, this method has been tested by acquiring gamma Ombrone -ray spectra using a 10.16 cm×10.16 cm sodium iodide detector in 80 different sites in the basin, in Tuscany. The results from the FSA method with NNLS constrain have been compared with the laboratory measurements by using HPGe detectors on soil samples collected. In the forth chapter is discussed the self-construction of an airborne gamma-ray spectrometer, AGRS_16.0L. Airborne gamma-ray spectrometry (AGRS) method is widely considered as an important tool for mapping environmental radioactivity both for geosciences studies and for purposes of radiological emergency response in potentially contaminated sites. Indeed, they have been used in several countries since the second half of the twentieth century, like USA and Canada, Australia, Russia, Checz Republic, and Switzerland. We applied the calibration method described in the previous chapter using well -characterized natural sites and implemented for the first time in radiometric data analysis FSA analysis method with NNLS constrain. This method permits to decrease the statistical uncertainty and consequently reduce the minimum acquisition time (which depend also on AGRS system and on the flight parameters), by increasing in this way the spatial resolution. Finally, the AGRS_16.0L was used for radioelement mapping survey over Elba Island. It is well known that the natural radioactivity is strictly connected to the geological structure of the bedrocks and this information has been taken into account for the analysis and maps construction. A multivariate analysis approach was considered in the geostatistical interpolation of radiometric data, by putting them in relation with the geology though the Collocated Cokriging (CCoK) interpolator. Finally, the potential radioelement maps of potassium, uranium and thorium are constructed for Elba Island.

Lo scopo di questo progetto ́e lo sviluppo di un rivelatore PET innovativo in grado di raggiungere alte prestazioni per quanto riguarda risoluzione spaziale, energetica e temporale mantenendo la complessit ́a del sistema ragionevolmente bassa. Il modulo PET proposto si basa su una matrice di cristalli scintillanti e un rivelatore (MPPC). Se paragonato ad una configurazione a doppia lettura in cui la luce di scintillazione ́e raccolta da entrambe le estremit ́a del modulo, nella configurazione proposta, un rivelatore ́e sostituito da una guida di luce e un ma- teriale riflettente. La luce raccolta dal secondo rivelatore nella configurazione a doppia lettura ́e invece ricircolata e collezionata dai rivelatori vicini grazie alla guida di luce posizionata sul modulo. Sfruttando questo meccanismo di condivisione della luce, ́e possibile raggiungere le stesse prestazioni di una con- figurazione a doppia lettura diminuendo il numero di canali richiesti. E ́ inoltre possibile adottare un accoppiamento tra cristalli e rivelatori maggiore di uno ri- ducendo ulteriormente i canali di lettura. Studiando infatti la distribuzione della luce condivisa ́e possibile identificare il cristallo in cui ́e avvenuta l’interazione del raggio gamma. Numerose matrici sono state testate con differenti configu- razioni di accoppiamento tra cristalli e rivelatore (uno a uno, quattro a uno e nove a uno) e i risultati hanno confermato un ottima capacit ́a di identificazione del cristallo colpito e una risoluzione energetica di 12 % FWHM (configura- zione uno a uno e quattro a uno) e 16% FWHM (configurazione nove a uno). Per quanto riguarda macchine PET con piccolo campo di vista, ́e presente un peggioramento della risoluzione spaziale vicino agli estremi del campo di vista stesso dovuto all’errore di parallasse. Questo ́e mitigato dalla conoscenza della profondit ́a di interazione del raggio gamma (informazione DOI). La possibilit ́a di ottenere questa informazione nel modulo proposto ́e stata testata e una riso- luzione DOI di 3mm FWHM misurata per le configurazioni uno a uno e quattro a uno, mentre per la configurazione nove a uno la risoluzione DOI ́e risultata essere 4 mm FWHM. Al fine di ottenere l’informazione sulla profondit ́a di in- terazione ́e stato necessario introdurre un effetto di attenuazione di luce lungo l’asse del cristallo con l’effetto per ́o di peggiorare le prestazioni temporali del modulo. Un metodo per includere il DOI nella misura della risoluzione tem- porale ́e stato quindi sviluppato. Il modulo proposto presenta una risoluzione temporale di 353 ps FWHM. La seconda parte del progetto ́e lo sviluppo di un algoritmo di ricostruzione di immagini metaboliche capace di includere sia l’informazione temporale che il DOI. L’algoritmo ́e presentato e uno studio di simulazioni condotto al fine di confermare i vantaggi sia dell’informazione DOI che della risoluzione temporale nella qualit ́a delle immagini ricostruite. Per fini- re, uno studio completo sulla PET con informazioni del tempo di volo (TOF) ́e stato effettuato valutando il miglioramento del rapporto segnale-rumore e della risoluzione spaziale in funzione delle prestazioni temporali del sistema.
Positron emission tomography (PET) is a technique based on the detection of two back to back 511 keV gamma rays originated by a positron-electron annihilation. The aim of this project is to develop an innovative PET detector module with high performances, in term of spatial, energy and timing resolution while maintaining the overall complexity reasonably low. The proposed module is based on a pixellated LYSO matrix and MPPC detector. Compared to double side readout configuration in which the scintillators are read on both sides by detectors, one detector is replaced by an optical light guide and a reflector. The light collected by the second detector in the double side readout approach is instead recirculated and collected by the nearby detectors thanks to the light guide on top of the module. Enabling this light sharing mechanism allows rea- ching the same performances of a double side readout configuration decreasing the number of detector channels needed. Furthermore, it is possible to adopt a more than one to one coupling between scintillators and detector in order to further decrease the number of channels needed and to improve the spatial re- solution of the system. Studying the shared light distribution allows identifying the crystal in which the gamma ray interaction took place. Several matrices are tested with different coupling between scintillators and detectors (one to one, four to one and nine to one) and the results show good crystals identification capabilities and an energy resolution in the order of 12% FWHM (one to one and four to one configurations) and 16% FWHM (nine o one configuration). For small animal and organ dedicated PET devices, there is a spatial resolution degradation close to the edges of the field of view (FOV) due to parallax error. This effect is mitigated by knowing the interaction position along the crystal main axis and this information is known as depth of interaction (DOI). The DOI capabilities of the proposed module are tested and a value of 3 mm FWHM DOI resolution is reached for the one to one and four to one coupling configuration. For the nine to one configuration a DOI resolution of 4 mm FWHM is obtained. In order to reach the DOI information, an attenuation behavior over the crystal length is introduced but, as drawback, it decreases the timing performances of the proposed module. A method to reduce this effect is presented by including the DOI information in the evaluation of the timing resolution. The module shows a coincidence time resolution of 353 ps FWHM. The second part of this project is focused on the development of an image reconstruction software able to include both the DOI and timing information. The reconstruction algorithm is described and presented and a simulation study is performed in order to confirm the benefits of the DOI and timing in the image quality. Furthermore, a complete time of flight (TOF) study is performed evaluating the improvement of the signal to noise (SNR) ratio and spatial resolution as a function of the timing performances.

In questo lavoro di tesi si svilupperanno simulazioni col software BoGEMMS, il quale si basa sulle librerie del toolkit Geant4 del CERN, che simula il trasporto di particelle attraverso la materia. Successivamente si studieranno le caratteristiche dei principali sottosistemi del payload del satellite e-ASTROGAM, proposto per la call M5 dell’ESA, e le componenti di rumore che sono presenti in un sistema di rivelazione, incentrando l’attenzione sugli effetti che comportano il charge sharing e il rumore elettronico sulla determinazione della risoluzione spaziale e della PSF di e-ASTROGAM. Esso è il primo satellite gamma in grado di coprire il range energetico 300 keV−3 GeV, che finora è rimasto in parte inesplorato poichè interessa un intervallo in energia in cui la radiazione viene emessa sia per effetto Compton sia tramite produzione di coppie, rendendo di fatto complessa la rivelazione del segnale derivante da entrambi i processi con un unico strumento. Grazie all’ampio campo di vista, l’ottima risoluzione angolare e la buona PSF, e-ASTROGAM sarà in grado di rivelare un gran numero di sorgenti transienti, tra le quali si stima un tasso di rivelazione di ∼600 Gamma-Ray Burst (GRB) entro i primi tre anni dal lancio, programmato per il 2029. In particolare gli short-GRB sono ottimi candidati a ricoprire il ruolo di controparte elettromagnetica delle onde gravitazionali (GW, Gravitational Wave) in quanto sia i GRB sia le GW sono stati associati al merging di oggetti compatti. Per questo motivo, tramite e-ASTROGAM, ci si aspetta di rivelare negli anni a venire dei fenomeni transienti simultanei o quasi simultanei nell’intervallo energetico coperto dal satellite per avvalorare l’associazione GW−sGRB.

Il Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), progettato dalla NASA, è un osservatorio spaziale di nuova generazione studiato per l’osservazione delle sorgenti gamma celesti nella banda energetica che si estende dai 10 KeV a più di 300 GeV. Rispetto al suo predecessore EGRET, GLAST avrà una maggiore area efficace (6 volte superiore), un più ampio campo di vista, range e risoluzione di energia, ottenendo un miglioramento di sensibilità di un fattore 30 o più. I suoi principali scopi scientifici sono lo studio di tutte le sorgenti di radiazione gamma come le blazars, gamma-ray bursts, residui di supernovae, pulsars, radiazione diffusa e sorgenti non identificate. Il principale strumento a bordo di GLAST è il Large Area Telescope (LAT), il cui tracciatore è stato interamente costruito e testato in Italia, grazie alla collaborazione di varie sezioni dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e partners industriali, risultando nel più grande rivelatore (73m2 di sensori al silicio a microstrip), altamente efficiente e a basso rumore di questo tipo mai realizzato fin’ora. Nel presente lavoro di Tesi, dopo aver introdotto le finalità dell’astrofisica gamma, si descrivono la struttura innovativa di GLAST e il suo funzionamento, confrontandone le prestazioni con quelle raggiunte dagli esperimenti precedenti. Si descrive quindi il lavoro di costruzione e test del tracciatore del LAT, con particolare attenzione al ruolo svolto dalla Sezione INFN dell’Università di Roma “Tor Vergata”, descrivendo per ogni passo della costruzione le motivazioni e metodologie dei tests ambientali e di prestazione sulle sue parti meccaniche, sensori ed elettroniche di lettura. Per completezza si descrive anche brevemente l’integrazione finale dei componenti del LAT avvenuta presso i laboratori di Stanford (USA). Si mostrano in conclusione le prestazioni finali del LAT, risultate migliori di quelle richieste dal progetto originale, che dimostrano l’alta qualità del lavoro svolto e che assicureranno a GLAST, il cui lancio è previsto entro il 2008, grandi capacità osservative e di scoperta nel campo della cosmologia e astrofisica.
The Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), projected by NASA, is a next generation space observatory conceived for observation of the sky gamma ray sources in the energy range extending from 10 KeV to more than 300 GeV. Compared to its predecessor EGRET, GLAST will have a larger (6 times) effective area, wider field of view, range and energy resolution, resulting in a sensitivity improvement of more than a factor 30. Its main scientific goals are the survey of all the gamma radiation sources such as blazars, gamma-ray bursts, supernova remnants, pulsars, diffuse radiation and unidentified sources. The main instrument onboard GLAST is the Large Area Telescope (LAT), whose tracker has been entirely built and tested in Italy, thanks to the collaboration of many INFN sections and industrial partners, obtaining the largest (73m2 of silicon microstrip detectors), highly efficient, low noise instrument of this kind ever produced before. In the present Thesis work, after introducing the gamma astrophysics goals, the GLAST innovative design and operation are described, comparing its performances with the ones reached by previous experiments. The workflow of construction and test of the LAT tracker is then described, giving special attention to the tasks carried out by the INFN Section of the Rome University “Tor Vergata”, describing for every step of the construction the reasons and methodologies of the environmental and performance tests of its mechanical parts, sensors and reading electronics. For sake of completeness it’s also briefly described the final LAT components integration, performed into the Stanford laboratories (USA). In the end the final LAT performances are shown, resulting better than the ones required by the original project, proving the high quality of the performed work and ensuring a great observation and discovery potential in cosmology and astrophysics to GLAST, whose launch is scheduled for the year 2008.

Guidata dall'interesse per lo studio della fissione nucleare, per molto tempo la ricerca nel campo dei neutroni si è concentrata su energie medio-basse (E<20 MeV) mentre per la regione a più alte energie le informazioni risultavano scarse o mancanti. Recentemente, invece, si è sviluppato un nuovo interesse per i Neutroni di Alta Energia, utilizzabili nelle terapie mediche per la cura di tumori, e di grande importanza per la radioprotezione e la trasmutazione delle scorie radioattive derivanti da produzione di energia nucleare. Queste applicazioni richiedono precisi fasci di neutroni quasi-monoenergetici, con energie dai 20 a qualche centinaia di MeV, servono perciò misurazioni intese a determinare le caratteristiche del fascio e atte a ottenere valori precisi della sezione d'urto relativa ai processi innescati da neutroni veloci. La sezione d'urto di un certo processo nucleare si deduce dalla misura del numero di eventi acquisiti per unità di tempo da un rivelatore, conoscendo l'efficienza di questo, l'intensità del fascio che incide nel bersaglio e le caratteristiche del target. Diventa, quindi, determinante la conoscenza dell'intensità del fascio dei neutroni, anche nel caso di un intervallo energetico ampio, come quello prodotto al CERN dalla facility n_TOF, che possiede energie che vanno dal meV al GeV. Sulla base di queste motivazioni, in questo lavoro di tesi, si vuole proporre un prototipo semplice di rivelatore per Neutroni di Alta Energia e si presenta uno studio preliminare del primo test sotto fascio, focalizzando l'attenzione sulla massima energia misurabile.

L’aumento della domanda di 68Ga, impiegato per la marcatura di diversi radiofarmaci PET, rende necessaria la valutazione di possibili alternative alla sua produzione attualmente effettuata unicamente tramite generatore. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico S. Orsola-Malpighi di Bologna, si è posto l’obbiettivo di valutare la capacità di produzione diretta di 68Ga in ciclotrone mediante irraggiamento in target liquido di una soluzione di 68Zn. Inizialmente, sono state effettuate le stime teoriche di resa a saturazione dei principali radionuclidi prodotti durante un irraggiamento di una soluzione acquosa di Zn. Inoltre, è stato necessario analizzare alcuni aspetti, come la preparazione del materiale bersaglio ottimale da irraggiare, il controllo della reattività del target a contatto con soluzioni acide e l’ottimizzazione dell’energia del fascio. Il target utilizzato è un target liquido in niobio della General Electric usato per la produzione di 18F. Successivamente, è stato modificato in modo tale da avere un fascio di protoni incidente di energia pari a 12 MeV, al fine di ottimizzare la produzione. I risultati ottenuti nelle sei prove di irraggiamento di una soluzione di Zn(NO3)2 1.7M in HNO3 0.2N mostrano una resa a saturazione media di 68Ga di (330±30) MBq/µA, corrispondente a un'attività prodotta di (4.4±0.4) GBq in un irraggiamento a 50 µA da 30 minuti. Infine, è stato implementato un sistema di separazione del 68Ga e di recupero del materiale bersaglio, tramite cromatografia a scambio ionico. Pur essendo necessarie ottimizzazioni e ulteriori avanzamenti, i risultati ottenuti sono molto promettenti e hanno mostrato la possibilità di produrre in ciclotrone 68Ga con livelli di purezza radionuclidica superiore ai limiti imposti dalla Farmacopea Europea, rendendo perciò ipotizzabile una linea di sperimentazione in campo clinico in tempi brevi.

This work describes the development of a radiometric mobile inspection system called SMANDRA (the Italian acronym stands for Sistema Mobile per Analisi Non Distruttive e RAdiometriche). SMANDRA is part of a large project called SLIMPORT, financed by the Italian Ministry for the Economic Development (MISE), dedicated to the development of an integrated toolbox forming a complete security system to monitor the flow of persons and merchandise in harbors. The system has been conceived as a flexible and transportable tool, to be used in conjunction with fixed installation such as radiation portal monitors, x-ray scanners and large detector arrays. In particular, the aims of SMANDRA are to detect and identify sources of ionizing radiation or identify dangerous and/or illegal materials inside volumes previously tagged as “suspect” by conventional X-ray scanners. The whole detector apparatus was designed minimizing volume and weight to be easily movable, mounted over forklifts or other light vehicles for inspections. In addition, it is possible to operate the entire system with batteries, making it completely independent from external power facilities. The system is made of two pieces having a volume less than 0.1 m3 as follows: 1) A passive unit including two gamma-ray detectors (5”x5” NaI(Tl) and 2”x2” LaBr3(Ce)) and two neutron counters (5”x2” liquid scintillator NE-213 and 3He proportional counter for fast and slow neutrons). The unit hosts batteries, power supplies, front-end electronics and CPU. 2) An active unit including a portable sealed neutron generator based on the Tagged Neutron Inspection System (TNIS) technique. The first unit can be used in standalone mode as a high efficiency spectroscopic radiometer for the detection of ionizing radiation such as gamma-rays, fast and thermal neutrons to search and identify radioactive material as well as Special Nuclear Material (SNM). It can also be used as detector package connected to the second unit for active interrogation of voxels inside a load by tagged neutron inelastic scattering imaging. All detector used in the SMANDRA system have been fully characterized. Initial tests were done with traditional analog NIM electronics followed by the new digital electronics based on fast digitizers. The detection and identification of standard radioactive sources (gamma ray and neutrons) has been tested successfully showing detection probability in order or even better with the requirements of this type of instrumentation. The detection of special nuclear material has been tested using SMANDRA as a high sensitivity passive spectroscopic system or as a complete active inspection system using tagged neutrons. The detection of plutonium samples seems to be possible with passive interrogation even in case of small samples (few grams) due to the yield of gamma ray and neutrons. As it is well known, detection of uranium samples poses more problems because of the low neutron yield that characterizes this material. The gamma ray yield of highly enriched U samples could be easily shielded. In this case active interrogation is needed. Results show that it is possible to provide signature for the discrimination of uranium against heavy metals (as lead) by looking to the absolute gamma and neutron yield in coincidence with tagged neutrons or to correlations between detectors. It is worth mentioning that the SMANDRA system is a mobile multi-purpose spectrometric system not specifically designed to detect SNM. However the results reported might be implemented in future portable systems specifically designed to detect SNM in active mode.
Questo lavoro descrive lo sviluppo di un sistema mobile per ispezioni radiometriche, chiamato SMANDRA (Sistema Mobile per Analisi Non Distruttive e Radiometriche). SMANDRA fa parte di un grande progetto chiamato SLIMPORT, finanziato dal Ministero Italiano dello sviluppo Economico (MISE), rivolto allo sviluppo di un sistema di sicurezza integrato per il monitoraggio del flusso di persone e merci nei porti. Il sistema è stato progettato come uno strumento mobile e flessibile, da usare in combinazione con postazioni fisse come portali, scanners x-ray e grandi array di rivelatori. Più in particolare, lo scopo di SMANDRA è quello di identificare sorgenti radioattive e materiali illegali e/o pericolosi nascosti dentro container e bagagli segnalati come “sospetti” dai sistemi di sicurezza tradizionali. L’intero apparato è stato disegnato per minimizzare il volume ed il peso in modo da essere facilmente trasportabile su un muletto o su altri veicoli leggeri per ispezioni mirate. In aggiunta il sistema può essere alimentato a batterie, rendendolo completamente indipendente dall’allacciamento elettrico. Il sistema è composto di due unità che hanno un volume totale minore di 0.1 m3: 1) Un’unità passiva composta da due rivelatori di raggi gamma (5”x5” NaI(Tl) e 2”x2” LaBr3(Ce)) e due rivelatori di neutroni (scintillatore liquido NE-213 da 5”x2” e un contatore proporzionale ad 3He). L’unità contiene le batterie, l’alimentazione, l’elettronica digitale e la CPU per l’acquisizione ed analisi dati. 2) Un’unità passiva che include un generatore portatile di neutroni per l’identificazione dei materiali illeciti e/o pericolosi tramite la tecnica TNIS (Tagged Neutron Inspection System). La prima unità può essere usata da sola come un radiometro spettroscopico ad alta efficienza per la rivelazione di radiazioni ionizzanti come raggi-gamma, neutroni veloci e neutroni termici e per identificare materiale radioattivo come ad esempio il Materiale Speciale Nucleare (SNM). Questa unità è poi usata insieme al generatore di neutroni per interrogazioni attive di specifiche porzioni di volume all’interno di container, grazie alla tecnica TNIS. Tutti i rivelatori di SMANDRA sono stati totalmente caratterizzati: i test iniziali sono stati fatti con elettronica analogica NIM seguiti da quelli effettuati con la nuova elettronica digitale basata su digitizer veloci. E’ stata dimostrata la possibilità di rivelare e identificare le sorgenti radioattive standard (raggi-gamma e neutroni) con un livello di confidenza migliore di quello richiesta dallo standard per questo tipo di strumentazione. La rivelazione di materiale speciale nucleare è stata testata sia in modalità passiva con la prima unità sia in modalità attiva usando il generatore di neutroni. Il riconoscimento di un campione di plutonio è possibile con la sola interrogazione passiva anche in caso di campioni molto piccoli (qualche grammo) grazie all’alta emissione di raggi-gamma e neutroni. Come è noto, invece, la rivelazione di campioni di Uranio è più difficoltosa vista la bassa emissione di neutroni e la possibilità di schermare facilmente i pochi raggi-gamma; in questo caso è necessario intervenire con un’interrogazione attiva. I risultati dimostrano la possibilità di discriminare fra campioni di Uranio rispetto a metalli pesanti (come il piombo) guardando i conteggi assoluti di raggi-gamma e neutroni in coincidenza con l’emissione di un neutrone da parte del generatore o, in alternativa, guardando alla correlazione degli eventi fra due rivelatori (NaI(Tl) e NE-213). E’ importante sottolineare che SMANDRA è un sistema spettrometrico mobile multi-funzione, non disegnato specificamente per la rivelazione di materiale speciale nucleare. Tuttavia i risultati mostrano la possibilità in futuro di poter implementare sistemi portatili disegnati specificatamente per l’identificazione di Materiale Speciale Nucleare con l’ausilio di un generatore di neutroni.