Studies on the NEXT experiment tracking system and development of medical devices with SiPMs

Abstract

Os recentes desenvolvimentos na área dos fotodetectores de estado sólido, nomeadamente os fotomulplicadores de silício (SiPM), permitiram a proliferação desta tecnologia num vasto número de aplicações em áreas distintas. Estes fotosensores robustos, versáteis e com um preço competitivo, tornaram-se uma das mais promissoras alternativas aos tubos fotomultiplicadores para deteção de baixo nível de luz, especialmente para aplicações onde é necessário um grande número de fotodetectores. Estes fotosensores multi-pixel, são capazes de deteção de fotão único, permitindo obter ao mesmo tempo informação sobre fotão de interação e energia. Os estudos realizados no âmbito deste programa doutoral e reportados neste documento dividem-se em três aplicações principais: colaboração no desenvolvimento do sistema de rastreamento (tracking system) da experiência NEXT na área da física de neutrinos e Neutrinoless Double Beta Decay (0⌫""), que comporta ⇠7.000 SIPMs para identificação da assinatura 0⌫"", um dosímetro para braquiterapia de próstata e um sistema PET didático - easyPET. Foram realizados vários estudos para caracterização da nova geração de SiPMS. Como verificado, estes dispositivos apresentam características melhoradas tais como uma maior eficiência quântica e menor crosstalk, afterpulsing e sensibilidade térmica. Esta nova geração de SiPMs adequa-se aos requisitos para aplicação no tracking system no NEXT. No entanto, uma maior eficiência quântica no ultravioleta de vazio (VUV) é desejável. Foi avaliada a aplicação de SiPMs em sensores de radiação para dosimetria médica. Foi desenvolvido um dosímetro com base em fibra ótica cintilante. O dispositivo foi caracterizado numa larga gama de energia e em regimes de baixa e de alta taxa de dose. O dosímetro foi avaliado em ambiente clínico recriando as condições de braquiterapia HDR, tratamento aplicado no tratamento de cancros da próstata e mama. Conforme verificado, os SiPM apresentam elevada dependência com a temperatura sendo portanto necessárias técnicas de compensação ou de estabilização. O protótipo do easyPET foi implementado com sucesso. A tecnologia foi licenciada e é esperada a sua comercialização até ao fim do ano de 2016. Dos estudos realizados nas várias aplicações, conclui-se que os SiPMs são fotodetectores muito versáteis devido à sua alta sensibilidade, elevado ganho, insensibilidade a campos magnéticos, de rápida resposta e de pequenas dimensões, abrindo a possibilidade de aplicação desta tecnologia em múltiplos campos permitindo uma infinidade de novos conceitos de detectores, tais como na física de alta energia e aplicações de imagiologia biomédica.

The recent developments of solid-state photodetectors, namely Silicon Photomultipliers (SiPMs), allowed a proliferation of this technology through numerous applications. These robust and versatile photosensors with an attractive price have become one of most promising alternatives for low light level detection, especially for applications where a large number of devices is required. These multi-pixel photosensors, capable of single photon detection, allow to obtain at the same time information on photon-interaction and energy. The Ph.D studies reported in this document cover three main applications: the NEXT experiment, a Neutrinoless Double Beta Decay (0⌫"" ) experiment using ⇠7000 SiPMs in the tracking system for topological signature identification, a dosimeter for prostate brachytherapy and a simple PET system for education purposes - the easyPET. Several studies were conducted envisaging the characterization of a new generation of SiPMs. As verified, these devices present improved features such as higher quantum e