Fully-digital 3D imager for gamma and hard-X rays

I fenomeni ultraveloci risolti nel tempo con radiazioni da raggi X duri a raggi gamma sono uno dei campi di ricerca rivoluzionari alla base di applicazioni scientifiche e mediche come la spettroscopia pompa e sonda e la tomografia ad emissione di positroni a tempo di volo. La ricerca su e gli studi di vengono costantemente sollecitati dalle sempre più rigorose nuove tecniche di acquisizione di rivelatori; ciò ha motivato a presentare un innovativo imager 3D completamente digitale (x-y-time) per raggi gamma e raggi X duri al di là dello stato dell'arte. Dal punto di vista del rivelatore, gli aspetti che è necessario migliorare sono la risoluzione temporale, la risoluzione spaziale, che nella maggior parte delle soluzioni è limitata dall'approccio multipixel, e l'efficienza quantica, che è molto scarsa per i rivelatori basati su silicio nel caso dei raggi X duri e nulla per i fotoni gamma. Considerando i sistemi di acquisizione, l'approccio multicanale adottato dalle moderne applicazioni e la riduzione del budget energetico spostano l'elettronica di lettura dall'approccio di modalità di tensione classica, che consiste nell'acquisire l'intera forma d'onda e nel realizzare un elaborazione digitale nel dominio z, verso l'acquisizione sulla base del tempo in cui l'informazione rilevante è l'istante temporale in cui si verifica un evento. Per quanto riguarda il , sfrutteremo le regioni di assorbimento separato e moltiplicazione del foto diodi a valanga per raggi X duri (SAM-APD) basate su semiconduttori del gruppo III-V. In particolare, i materiali basati su GaAs presentano un numero atomico e una mobilità più elevati, quindi sono molto più efficienti e veloci rispetto al silicio nell'assorbire i raggi X duri. Risoluzioni spaziali e temporali inferiori a 100 μm e 10 ps saranno ottenute accoppiando capacitive un'ampia area (alcuni mm di diametro) di SAM-APD in GaAs a due Linee di Ritardo Incrociate (CDL) connesse a un convertitore di tempo-digitale (TDC) ad alta precisione. Per i raggi gamma, lo stesso insieme può essere impiegato incollando una matrice di cristalli scintillanti rapidi di 0,5 x 0,5 mm sul SAM-APD in GaAs con, sicuramente, alcune modifiche nella sua struttura. In questo modo, le risoluzioni spaziali (500 μm) e temporali (200 ps) saranno limitate dalla geometria e dal jitter del cristallo. Questa è un'alternativa potente alla pixelazione sia dal punto di vista tecnologico che di elaborazione. Infatti, non sono necessarie litografie aggressive e sono necessari solo quattro canali, anziché uno per pixel. Il progetto coinvolge cinque unità: il Politecnico di Milano per l'elettronica, l'Università di Udine per la modellazione e la progettazione del dispositivo, il Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto Officina dei Materiali per la fabbricazione. I test saranno effettuati dall'Università di Trieste e dalla sezione dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Trieste. L'Elettra Sincrotrone Trieste SCpA è iscritta come sottounità.

Time-resolved ultrafast phenomena with radiation from hard-X to gamma-rays are one of the groundbreaking research fields at the base of scientific and medical applications like pump-and-probe spectroscopy and Time-of-Flight Positron Emission Tomography. Research on and studies of are continually urged by increasingly detectors new acquisition techniques stringent requirements; this has motivated to present an innovative fully-digital 3D (x-y-time) imager for gamma and hard-X rays beyond the state-of-the-art. From a detector point of view, the aspects that it is necessary to improve are the time resolution, the spatial resolution, which in most solutions is limited by the multipixel approach, and the quantum efficiency, which is very poor for silicon-based detectors in the case of hard-X rays and null for gamma photons. Considering the acquisition systems, the multichannel approach adopted by modern applications and the reduction of the power budget moves the read-out electronics from the classical voltage-mode approach, which consists in acquiring the complete waveform and performing digital processing in z-domain, into time-base acquisition where the relevant information is the time instant at which an event takes place. Concerning the , we will exploit Separate Absorption and Multiplication regions Avalanche hard-X rays PhotoDiode (SAM-APD) based on III-V semiconductors. In particular, GaAs-based materials feature a higher atomic number and mobility thus are much more efficient and faster with respect to silicon in absorbing hard-X rays. Spatial and temporal resolutions less than 100 μm and 10 ps will be attained by capacitive coupling of a large area (some mm of diameter) GaAs SAM-APD to two Cross Delay-Lines (CDLs) connected to high-precision Time-To-Digital-Converter (TDC) . For the gamma-rays, the same bundle can be employed by gluing a matrix of 0.5 x 0.5 mm fast scintillator crystals on the GaAs SAM-APD with, for sure, some adaption in its structure. In this way, both spatial (500 μm) and temporal (200 ps) resolutions will be limited by the geometry and the jitter of the crystal. This is a powerful alternative to pixelation both from a technological and processing point of view. In fact, no aggressive lithography and only four channels, instead of one-per-pixel, are needed. The project involves five units, “Politecnico of Milano” (PoliMI) for the electronics, “Università di Udine” (UniUD) for the modeling and device design, “Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto Officina dei Materiali” (CNR-IOM) for fabrication. Tests will be carried out by “Università di Trieste” (UniTS) and the “Istituto Nazionale di Fisica Nucleare” (INFN) section of Trieste. “Elettra Sincrotrone Trieste SCpA” (Elettra) is enrolled as sub-unit.