Boosting scintillation based detection

During this Ph.D., state-of-the-art scintillating materials have been intensively studied with several constraints found regarding their light emission, optical properties, and chemical stability. Different characterization benches were developed specifically for the measurements presented in the thesis and extensive work has been dedicated to fine tune the simulations framework that describes scintillators and photo-detectors. Classical approaches were found to be already at a good trade-off between performances and costs while to really boost scintillation detection a shift in paradigm was needed, moving away from classical ray tracing concepts and scintillation mechanism. This Ph.D. work explored the use of diffraction and quantum dots to break the limit of critical angle and classical e-h recombination, respectively. \newline Photonic crystals were used as diffracting layer deposited on the read-out face of inorganic scintillators and showed promising results from the point of view the crystal's time and energy resolution. The additional modes provided by the periodical nano-structuration of the read-out face add several degrees of freedom where simulations could find new optimal solutions. An enhanced extraction of scintillation light was demonstrated in different crystal configurations.\newline Nanocrystals, on the other hand, pushed the state-of-the-art of scintillation timing properties down to the ps scale, bringing innovative ideas for future fast detectors. The use of quantum dots allowed to tune the recombination mechanism of scintillating semiconductors leading to inhibited non-radiative channels and enhance dipole emission from the emitting centers.

Durante il mio dottorato di ricerca ho studiato in modo approfondito I cristalli scintillanti, trovando diversi limiti legati all’emissione di luce, proprietà ottiche e stabilità chimica. Sono stati sviluppati diversi banchi di lavoro specifici per le caratterizzazioni presentate nella tesi e molto lavoro è stato dedicato alla finalizzazione dei programmi di simulazione necessari alla descrizione del sistema scintillatore-photorivelatore. Uno studio della maggior parte degli Approcci classici, sul tema dell’ottimizzazione degli scintillatori, ha portato a confermare come si sia arrivati ad un compromesso tra prestazioni e costi, mentre per migliorare il meccanismo di scintillazione viene proposto cambio di paradigma. Questa tesi di dottorato ha esplorato l’utilizzo di strutture diffrangenti e quantum dots per superare rispettivamenti i limiti legati alla presenza di un angolo critico e alla ricombinazione classica elettrone-lacuna. I cristalli fotonici utilizzati come reticoli di diffrazione depositati sulla superficie di lettura di scintillatori inorganici hanno mostrato risultati promettenti dal punto di vista di risoluzione energetica e temporale. I modi di diffrazione creati dalla nano-strutturazione periodica creano nuovi gradi di libertà per la luce incidente, entro I quali, con l’utilizzo di programmi di simulazione, si possono trovare soluzioni con un guadagno relativo alla configurazione classica. Un miglioramento è stato dimostrato sperimentalmente per scintillatori misurati in diverse configurazioni. Nanocristalli sono stati invece utilizzati per migliorare lo stato dell’arte per quanto riguarda le caratteristiche temporali della rivelazione, portando a tempi di decadimento dell’ordine dei picosecondi. L’utilizzo di quatum dots ha permesso di ottimizzare I processi di ricombinazione in scintillatori semiconduttori, portando all’inibizione di canali non radiativi e ad un incremento dell’emissione di dipolo.