Ottimizzazione e caratterizzazione di rivelatori a scintillazione a RAL: spettroscopia muonica per l'analisi dei materiali alla ISIS Muon Source

The thesis describes the process of optimisation and characterisation of scintillating detectors for the CHNet-MAXI experiment and for the Super-MuSR, EMU and HiFi spectrometers for muon spin rotation. The experiments are used for muon spectroscopy for material analysis at the ISIS Muon Source, at Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, UK. The muon spectrometers at the EC facility at ISIS are used for muon spin rotation and relaxation, techniques used to probe magnetic properties of materials: it is used in chemistry, biology, industry and research in condensed matter, superconductors and semiconductors. Thanks to the ERASMUS+ Traineeship I participated in the optimisation of the Super-MuSR prototype, to be installed in 2027. The prototype was a sector of the spectrometer, which consists of plastic scintillating positron counters read by SiPM pairs. The development involved tests on fibre and SiPM performance, on beam and with a radioactive source, in typical and anomalous magnetic field conditions. I was also tasked with the characterisation of anomalous signals from the EMU and HiFi instruments, noticed after a change to the DAQ system. I confirmed that the anomaly was present before the change, and the problem was identified as helium infiltration in the photodetectors (PMTs). Finally, I participated in the CHNet-MAXI experiment, which is a feasibility study for the lead isotopic analysis using the mu-XES technique. The non-invasive isotopic analysis of historical artefacts enables the identification of the geographical origin of the objects without damage. The experiment uses several detectors: X-ray detectors (HPGe), inorganic scintillators, and a beam monitor based on organic scintillating fibres. I characterised the beam monitor, which is essential for the X-ray spectra normalisation and the measurement of the beam intensity: from the signals, both the muon intensity and the deposited charge were extracted, and it proved able to monitor the beam status and changes to the intensity correlated to changes of the beam parameters.

La tesi tratta del processo di ottimizzazione e caratterizzazione di scintillatori per l'esperimento CHNet-MAXI, e per gli spettrometri per analisi di muon spin relaxation: Super-MuSR, HiFi ed EMU. Tutti gli esperimenti sono utilizzati per la spettroscopia muonica per l'analisi dei materiali alla ISIS Muon Source, presso il Rutherford Appleton Laboratory a Didcot, UK. Gli spettrometri della EC facility a ISIS sono utilizzati per la muon spin relaxation e rotation, tecniche che permettono di sondare le proprietà magnetiche dei materiali, utilizzate in chimica, biologia, industria e ricerca nel campo della materia condensata, superconduttori e semiconduttori. Ho partecipato, grazie al tirocinio ERASMUS+ Traineeship, all'ottimizzazione del prototipo dello spettrometro Super-MuSR, in previsione dell'installazione nel 2027, che consiste in un array di scintillatori plastici letti da coppie di SiPM per il conteggio dei positroni. Lo sviluppo comprende test sulla performance delle fibre e dei SiPM e sull'ottimizzazione sia con fascio che con sorgente, in condizioni sia tipiche che anomale di campo magnetico. Ho inoltre potuto caratterizzare dei segnali anomali negli spettrometri EMU e HiFi, che erano stati notati dopo un intervento al sistema di acquisizione. Il lavoro ha confermato la presenza di questi segnali prima dell'intervento e ha identificato la causa in infiltrazioni di elio all'interno dei fotorivelatori (PMT). Infine, ho partecipato all'esperimento CHNet-MAXI: uno studio di fattibilità per l'analisi isotopica del piombo in beni culturali che sfrutta la tecnica della mu-XES. L'analisi isotopica non invasiva di artefatti storici permette di localizzare geograficamente i reperti senza compromettere il loro stato. L'esperimento comprende diversi detector, tra cui rivelatori di raggi X (HPGe), scintillatori inorganici e un monitor di fascio a fibre di scintillatore organico. Ho caratterizzato il monitor di fascio, essenziale per la normalizzazione degli spettri dei rivelatori di raggi X e per la quantificazione dell'intensità del fascio: dai segnali è stato infatti possibile estrarre un valore per il flusso di muoni, monitorare lo stato del fascio e i cambiamenti di flusso dovuti a cambi nei parametri del fascio, ed estrarre valori di carica accumulata per la normalizzazione.