Rare-Earth doped Scintillating Silica Fibers for ionizing radiation detection

I materiali con proprietà di scintillazione trovano ampio impiego in applicazioni che riguardano la rivelazione di radiazioni ionizzanti, quali il monitoraggio e la diagnostica per immagini, la dosimetria in campo medico, la sicurezza nazionale ed industriale, e la fisica delle alte energie. Recentemente, la scoperta di nuovi scintillatori veloci ed efficienti ha rappresentato un campo di ricerca in attivo e continuo sviluppo. Fra i numerosi sistemi indagati, le fibre ottiche scintillanti hanno suscitato grande interesse grazie alla loro estrema versatilità che permette la progettazione di rivelatori con un design innovativo. In questa tesi si propone lo studio di fibre scintillanti di silice che mostrano efficienti proprietà luminescenti quando drogate con ioni di terre rare, come Cerio e Praseodimio. L’argomento è trattato sia da un punto di vista fondamentale che applicativo, al fine di migliorare ed ottimizzare la resa del materiale perché possa essere impiegato in rivelatori di nuova generazione. A questo scopo, si è deciso di studiare gli effetti dell’esposizione ad elevate dosi di radiazioni ionizzanti sulla trasparenza del materiale. L’ottimizzazione della concentrazione del drogante luminescente nella matrice di silice, nonché dei processi di sintesi sol-gel e di filatura della fibra ha permesso di ottenere un’efficiente propagazione della luce all’interno della fibra stessa. É stata altresì dimostrata la fattibilità di una rivelazione simultanea di luce Cherenkov e di scintillazione, esponendo a fasci di elettroni altamente energetici un piccolo prototipo di calorimetro realizzato con fibre scintillanti drogate con Cerio. Le fibre di silice possono quindi essere considerate promettenti candidate in quell’ambito della calorimetria che prevede l’utilizzo della doppia lettura del segnale Cherenkov e di scintillazione per compensare le fluttuazioni energetiche caratteristiche dell’interazione con adroni pesanti. Inoltre, una completa conoscenza dei fattori che limitano l’efficienza di scintillazione è di primaria importanza per una futura ingegnerizzazione del materiale: l’esistenza di difetti di punto, che competono con i centri luminescenti nella cattura dei portatori di carica generati a seguito dell’interazione con la radiazione ionizzante, risulta essere la principale causa della presenza di una componente temporale lenta nella cinetica di ricombinazione. É stato quindi condotto uno studio approfondito del ruolo dei difetti nelle fibre di silice, al fine di comprenderne la natura e gli effetti sulle proprietà di scintillazione. I risultati ottenuti in questa tesi hanno confermato il potenziale di questa tecnologia per applicazioni in rivelatori per fisica delle alte energie e gettato le basi per un ulteriore futuro sviluppo del materiale. Questo lavoro è stato svolto presso i laboratori del Dipartimento di Scienze dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, in collaborazione con il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN, Ginevra, Svizzera) e con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, USA). Parte dei dati è stata ottenuta in collaborazione con Saint Gobain Research (Aubervilliers, Parigi, Francia) e con l’Istituto di Fisica dell’Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca (Praga, Repubblica Ceca). Scintillating materials find a wide variety of applications in ionizing radiation detection systems, monitoring and imaging, real time dosimetry in the medical field, homeland and industrial security, and high energy physics. In the recent years, the development of new, fast, and performing scintillators has been an active field of research. Scintillating fiber technology freshly raised a lot of interest because its extreme flexibility can provide a powerful tool for innovative detector designs. This thesis focuses on the study of scintillating fibers made of silica glass which show efficient luminescent properties when activated with rare-earth ions, like Cerium and Praseodymium. Both fundamental and practical aspects are discussed, in view of the improvement and optimization of the material performances for application perspectives in the future generation of high energy physics detectors. With this objective, the effects of high dose levels of ionizing radiation on the transparency of the material are studied. The fine-tuning of the activator content incorporated in the silica matrix and of the sol-gel synthesis and fiber drawing processes allow to obtain a good light guiding and a well-controlled optical quality. The feasibility of a simultaneous readout of Cherenkov and scintillation light is demonstrated in high energy calorimetry conditions, probing Ce-doped silica fibers embedded in a small detector prototype exposed to beams of electrons. Silica fibers can be considered as promising candidates in the framework of the dual readout calorimetry approach, which aims at compensating the energy fluctuations, inherent to the detection of hadronic particles. A deep understanding of the factors limiting the scintillation performances is of primary importance for future material engineering: they are found to be mainly related to the presence of point defects, which compete with the luminescent centers in capturing the free carriers created upon irradiation and introduce a delay in the recombination kinetics. A fundamental study of the role of defects in silica fibers, detrimental for the scintillation efficiency, is proposed and discussed. The potential of silica fibers for applications in high energy physics detectors is outlined and further optimization of the material technology is foreseen. This work was performed at the Department of Materials Science at the University of Milano - Bicocca, in collaboration with the European Organization for Nuclear Research (CERN, Switzerland) and with the Lawrence Berkeley National Laboratory (US). Some measurements were carried out in collaboration with Saint Gobain Research (France) and the Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences (Czech Republic).