An emulation workbench for position sensitive gaseous scintillation detectors

Abstract

Detectores gasosos de cintilação sensíveis à posição (PSGSD) com leitura por câmara Anger estão a ser desenvolvidos para serem usados em diversas áreas de investigação tais como detecção de neutrões [1], procura de matéria escura [2] e duplo decaimento beta sem neutrinos [3]. Usando misturas gasosas adequadas, as avalanches produzidas nestes detectores podem emitir até 10^6 fotões/MeV em dezenas de nano-segundos, permitindo alcançar elevada resolução espacial (1mm) e altas taxas de contagem (>1MHz) ao longo de extensas áreas de detecção (até milhares de cm^2). O desenho e optimização de PSGSDs requerem frequentemente a consideração de um elevado número de factores interligados, sendo por essa razão tipicamente efectuados de forma iterativa ou com recurso a simulações numéricas. A primeira abordagem pode ser bastante exigente em termos de tempo e recursos enquanto as simulações numéricas muitas vezes não fornecem resultados adequados devido a limitações do modelo ou à falta de informação sobre propriedades relevantes de elementos do detector. O trabalho apresentado nesta tese compreende o desenho, construção, calibração e testes de validação de uma bancada de emulação para o desenho e optimização de PSGSDs a qual permite evitar constrangimentos das duas abordagens. A bancada de emulação tem uma estrutura modular e tanto as propriedades da emissão de luz como a geometria do detector podem ser configuradas de forma independente permitindo processos iterativos de optimização rápidos. Adicionalmente, contrariamente às simulações numéricas, esta abordagem não depende de um modelo ou do conhecimento detalhado das propriedades dos componentes do detector. Com esta ferramenta, cintilação quase-pontual primária e secundária podem ser emuladas com controlo preciso da posição, intensidade e características temporais numa vasta gama de intensidades de luz. O sistema é facilmente configurável, permitindo modificações rápidas da geometria e mudanças dos materiais de elementos do detector emulado, bem como o tipo, número e arranjo dos fotodetectores. Os dois componentes fundamentais da bancada apresentada são uma fonte de luz quase-pontual e uma câmara Anger. A fonte de luz está instalada num sistema de posicionamento 3D de alta resolução, tem aproximadamente 1mm de diâmetro, isotropia melhor que 10% em > 3 e pode ser configurada para emitir entre 10^3 e 10^6 fotões por pulso, com duração variável entre 1 ns e 1 s. A câmara Anger usada neste estudo consiste num arranjo de sete fotomultiplicadores numa configuração hexagonal. O sistema está instalado dentro de uma caixa hermética à luz com paredes interiores pretas, para suprimir a luz reflectida, e permite a montagem de diferentes elementos do detector emulado no seu interior. A operação da bancada de emulação foi validada com sucesso. Para isso usou-se uma configuração minimalista da bancada consistindo apenas na fonte de luz, no sistema de posicionamento e na câmara. As reflexões a partir dos elementos da bancada foram suprimidas e os sinais dos fotomultiplicadores (PMTs) dependiam, numa boa aproximação, apenas da posição da fonte, da quantidade de fotões emitidos, da geometria da câmara Anger e dos ganhos relativos dos PMTs. Nestas condições, as simulações numéricas são capazes de fornecer previsões fidedignas dos sinais dos PMTs, se os PMTs e a fonte de luz estiverem calibrados. Estas calibrações foram efectuadas e tanto as medidas como as simulações, foram posteriormente conduzidas para as mesmas condições, fornecendo informação sobre a resolução e distorção espacial das reconstruções em função da posição da fonte e do número de fotões emitidos. Os resultados obtidos mostraram estar em muito bom acordo. O sistema foi usado para investigar diversas configurações relevantes para o projecto dedicado ao desenvolvimento de um detector de neutrões térmicos sensível à posição baseado num contador proporcional de cintilação com leitura por câmara Anger [1] no qual o nosso grupo participou. Em particular, o algoritmo da máxima verosimilhança foi usado para reconstruir eventos em casos de estudo que cobriam geometrias de detectores com reflexão de luz suprimida, com paredes cilíndricas feitas de materiais com diferentes propriedades de reflexão e com uma janela de vidro como interface entre a fonte de luz e os PMTs. Métodos para processamento de dados foram desenvolvidos para parametrizar as funções resposta dos PMTs a partir dos dados emulados. Os resultados obtidos demonstraram que a bancada de emulação pode ser usada de forma efectiva para desenhar e optimizar PSGSDs visando a melhor resolução possível em posição (e energia) e a mínima distorção espacial. A bancada de emulação pode também ser usada para emular dados experimentais realistas para testar a electrónica de leitura de PSGSDs, estudar o desempenho de algoritmos de reconstrução de eventos ou para desenvolver técnicas adaptativas da resposta do detector como as apresentadas na referência [4]. O mesmo conceito pode ainda ser desenvolvido, com vista em aplicações que necessitam de comprimento de onda ajustável e controlo preciso das propriedades de emissão da fonte de luz. Esta abordagem poderá possivelmente ser estendida à emular a emissão de luz em líquidos e sólidos operando a fonte de luz num volume preenchido com um líquido com propriedades ópticas (e.g. índice de refracção) que corresponda ao do cintilador em estudo. Referências: [1] A. Morozov, I. Defendi, R. Engels, F.A.F. Fraga, B. Guerard, M. Jurkovic, G. Kemmerling, G. Manzin, L.M.S. Margato, H. Niko, L. Pereira, D. Raspino, N.J. Rhodes, F. Sacchetti, E.M. Schooneveld, P. Van Esch and K. Zeitelhack. “A 2D position sensitive gas scintillation detector for thermal neutrons”. In: Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), IEEE (2012); [2] D.N. McKinsey. “The LZ dark matter experiment”. In: Journal of Physics: Conference Series 718.042039 (2016); [3] N. Lopez-March. “Sensitivity of the NEXT-100 detector to neutrinoless double beta decay”. In: arXiv:1701.02697v1 [physics.ins-det] (2017); [4] A. Morozov, F. Alves, J. Marcos, R. Martins, L. Pereira, V. Solovov, V. Chepel. “Iterative reconstruction of SiPM light response functions in a square-shaped compact gamma camera”. In: Physics in Medicine and Biology 62.9 (2012), p. 3619.

Position-sensitive gaseous scintillation detectors (PSGSD) with Angertype readout are being developed for use in various research areas such as neutron detection [1], search for dark matter [2] and neutrinoless double beta decay [3]. Using suitable gas mixtures, the avalanches produced in these detectors can emit up to 10^6 photons/MeV in tens of nanoseconds, allowing to achieve high spatial resolution (1mm) and high count rate (>1MHz) over large detection areas (up to thousands of cm^2). Design and optimization of PSGSDs frequently requires taking into consideration a large number of interconnected factors being, for that reason, typically performed either iteratively or by means of numerical simulations. The first approach can be very demanding in terms of time and resources while numerical simulations often do not provide adequate results due to limitations of the model or lack of information on relevant properties of the elements of the detector. The work presented in this thesis comprises the design, construction, calibration and validation tests of an emulation workbench for design and optimization of PSGSDs which allow to avoid constraints of both approaches. The emulation workbench has modular structure and both light emission properties and geometry of the detector can be independently configured allowing fast iterative optimization processes. Moreover, unlike numerical simulations, this approach does not depend on a model or on the detailed knowledge of the properties of the detector components. With this tool, point-like primary and secondary scintillation can be emulated with precise control of position, intensity and timing characteristics over a wide range of light intensities. The system is easily configurable, allowing quick modifications of the geometry and changes of the materials of elements of the emulated detector, as well as type, number and arrangement of the photodetectors. The two fundamental components of the workbench being presented are a quasi point-like isotropic light source and an Anger camera. The light source is installed on a 3D high-resolution positioning system, has approximately 1mm in diameter, isotropy better than 10% over > 3 and can be configured to emit from 10^3 to 10^6 photons per pulse, with variable pulse duration between 1 ns and 1 s. The Anger camera used in this study consists of an array of seven photomultipliers placed in a hexagonal configuration. The whole system is installed inside a light-tight box with black inner walls to suppress reflected light. Additionally different elements of the emulated detector can be installed inside. The operation of the emulation workbench was successfully validated. In order to do this, the minimal configuration of the workbench was used: only the light source, positioning system and the camera. Reflections from the elements of the workbench were highly suppressed and consequently the signals from the photomultipliers (PMTs) depended, to a very good approximation, only on the position of the source, the amount of emitted photons, the Anger camera geometry and the relative gains of the PMTs. Under these conditions numerical simulations are able to provide reliable predictions of the signals collected by the PMTs, if both PMTs and light source are calibrated. These calibrations were performed and then measurements and simulations were conducted for matching conditions, providing information on the spatial resolution and the reconstruction bias as function of the source position and the number of emitted photons. The obtained results have shown a very good agreement. The system was used to investigate several configurations relevant to the project dedicated to development of a positions sensitive thermal neutrons detector based on a scintillation proportional counter with a Anger camera readout [1], in which our group has been participating. In particular, the maximum likelihood algorithm was used to reconstruct events in case studies covering detector geometries with highly suppressed scattered light, with cylindrical walls built from materials with different light scattering properties and with a glass window interfacing the light source and the array of PMTs. Methods of data processing were developed to parameterize light response of the PMTs from the emulated data. The results demonstrate that the emulation workbench can be effectively applied to design and optimize PSGSDs, targeting the highest possible position (and energy) resolution and minimal reconstruction bias. The workbench can also be used to provide emulated realistic experimental data to test PSGSD readout electronics, study the performance of event reconstruction algorithms or to develop adaptive techniques of the detector response such as those presented in reference [4]. The same concept can be further developed for applications requiring adjustable wavelength and precisely-controlled time emission properties of the light source. It is envisage that this approach may eventually be extended to emulate light emission in liquid and solid scintillators by operating the light source in a volume filled with a liquid with optical properties (e.g. refractive index) matching those of the scintillator in study. References: [1] A. Morozov, I. Defendi, R. Engels, F.A.F. Fraga, B. Guerard, M. Jurkovic, G. Kemmerling, G. Manzin, L.M.S. Margato, H. Niko, L. Pereira, D. Raspino, N.J. Rhodes, F. Sacchetti, E.M. Schooneveld, P. Van Esch and K. Zeitelhack. “A 2D position sensitive gas scintillation detector for thermal neutrons”. In: Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), IEEE (2012); [2] D.N. McKinsey. “The LZ dark matter experiment”. In: Journal of Physics: Conference Series 718.042039 (2016); [3] N. Lopez-March. “Sensitivity of the NEXT-100 detector to neutrinoless double beta decay”. In: arXiv:1701.02697v1 [physics.ins-det] (2017); [4] A. Morozov, F. Alves, J. Marcos, R. Martins, L. Pereira, V. Solovov, V. Chepel. “Iterative reconstruction of SiPM light response functions in a square-shaped compact gamma camera”. In: Physics in Medicine and Biology 62.9 (2012), p. 3619.