Investigation of inorganic scintillator detectors with photodiode readout

Abstract

As cinturas de radiação de Van Allen estão localizadas em torno da Terra e afetam a operação de aeronaves e de satélites que têm impacto em diversos aspetos da nossa vida quotidiana. Estes incluem comunicação, navegação por satélite, sensores remotos, etc. As cinturas de Van Allen são constituídas por partículas carregadas e aceleradas, cuja dinâmica ainda não está completamente descrita e compreendida. Os detectores de radiação de satélites em órbita nas cinturas de Van Allen constituem uma importante contribuição para a descrição dos fenómenos dinâmicos das partículas desta cintura. Os detectores baseados em cristais de cintiladores inorgânicos permitem soluções de baixo ruído e elevada eficiência. LYSO:Ce e GAGG:Ce são dois novos cristais cintiladores com elevado "stopping power", alta eficiência e reduzido tempo de decaimento com enormes potenciais aplicações na instrumentação espacial. Contudo, estes cristais apresentam índices de refracção elevados que conduzem a perdas de luz por reflexões.Esta tese apresenta um estudo sobre cristais cintiladores inorgânicos que contribuirá para o desenvolvimento de um detector de protões e electrões chamado Relativistic Electron and Proton Experiment (REPE). O principal objectivo deste trabalho foi selecionar componentes para um detector de radiação de cintilação inorgânica a fim de otimizar a recolha de luz e a resolução de energia, reduzindo as perdas de luz. Os componentes a seleccionar incluem o cristal (LYSO:Ce ou GAGG:Ce), o material de revestimento, o sistema de leitura e o material de transferência ótica (entre o cristal e o sistema de leitura).Isto foi conseguido através da montagem de 7 detectores constituídos por diferentes combinações de componentes, seguida da comparação do seu desempenho na detecção de energia de raios gama com origem de uma fonte de 137Cs. Neste caso, os parâmetros de desempenho foram obtidos através de espectroscopia. Estes parâmetros são a posição de fotopico e o FWHM de fotopico, refletindo a recolha de luz e a resolução de energia de cada detetor, respectivamente. O detetor cintilador inorgânico que apresentou o melhor desempenho foi constituído pelo cristal GAGG:Ce, pelo fotodiodo sem janela de resina de silício (série S3590-09 da Hamamatsu), pela cola NOA 169 e pelo invólucro de teflon. Esta combinação apresentou 82.8 % melhor recolha de luz, e 36.6 % melhor resolução de energia em comparação com a pior combinação avaliada (LYSO:Ce, fotodíodo com janela (série S3590-08 da Hamamatsu), graxa de silício e revestimento de kapton aluminizado).Este trabalho resultou num detetor cintilador inorgânico com alta recolha de luz, boa resolução de energia, elevada sensitividade, pequenas dimensões e baixo consumo de energia.

Van Allen radiation belts are located around the Earth and affect operation of spacecraftsand several satellites that have impact on different aspects of our daily lives. These includecommunication, satellite navigation, remote sensing, etc. Van Allen belts are composed byenergetic charged particles whose dynamics are not completely described and understood.Radiation detectors on board satellites with orbital paths within the Van Allen belts are veryimportant contributors for the description of particles dynamic phenomena within these belts.Detectors based on inorganic scintillator crystals allow for low noise and high efficiency solutions.LYSO:Ce and GAGG:Ce are two new scintillator crystals with high stopping power, light yieldand small decay time with huge potential applications in space instrumentation. However, thesecrystals present high refractive indices which leads to multiple reflection losses.This thesis presents a study on inorganic scintillator crystals that will contribute to the development of detector for electrons and protons called Relativistic Electron and Proton Experiment(REPE). The main goal of this work was to select components for an inorganic scintillation radiation detector in order to optimize light collection and energy resolution, reducing light losses.The components to select include the crystal (LYSO:Ce or GAGG:Ce), the wrapping material,the readout system and the optical matching material (between the crystal and readout system).This was accomplished by mounting seven detectors in different combinations of components, followed by comparison of their performance in gamma-ray energy detection from a 137Cssource. In this case the performance parameters were obtained through spectroscopy. Theseare photopeak position and photopeak FWHM, reflecting light collection and energy resolution,respectively.The inorganic scintillator detector that presented the best performance was composed by GAGG:Ce crystal, unsealed photodiode (S3590-09 series by Hamamatsu), NOA 169 glue andteflon wrapping. This combination presented 82.8 % better light collection, and 36.6 % betterenergy resolution compared to the worst combination evaluated (LYSO:Ce, sealed photodiode- S3590-08 series by Hamamatsu, silicon grease and aluminized kapton wrapping). This workresulted in an inorganic scintillator detector with high light collection, good energy resolution,good sensitivity, small dimensions and low power consumption.