Desarrollo y optimización de un sistema experimental para la medición de la vida media del positronio mediante PALS con detectores LYSO-SiP

Abstract

[ES]La espectroscopía de aniquilación de positrones (PALS) es una técnica versátil empleada en diversos campos de la física. Esta metodología permite estudiar las interacciones entre positrones y materia, incluyendo la formación de positronio. Desde su concepción, la técnica PALS ha experimentado una notable evolución. Los primeros sistemas utilizaban detectores de NaI(Tl) y tubos fotomultiplicadores con circuitos analógicos, que ofrecían una resolución temporal limitada. Con el tiempo, la introducción de nuevos detectores y sistemas de adquisición digital ha mejorado significativamente la precisión de las mediciones. Actualmente, PALS se utiliza para investigar fenómenos complejos como posibles violaciones de la simetría CPT, análisis de defectos estructurales en materiales a nivel atómico y determinación de concentraciones de oxígeno en estudios biomédicos para imágenes PET. En PALS se analiza los espectros generados al medir la diferencia de tiempo entre la llegada de dos fotones gamma, uno de 511 keV proveniente de la aniquilación del positrón con el electrón del medio a estudiar, y el fotón gamma de 1275 keV proveniente del decaimiento del 𝑁𝑎 22. En base a estos espectros se obtiene información sobre la forma de aniquilación del positrón, ya sea mediante aniquilación directa o previa formación del positronio en uno de sus estados de spin, el p-Ps o el o-Ps. La implementación de los detectores LYSO y SiPM junto con osciloscopios digitales han otorgado a la técnica PALS de una accesibilidad y relativa simplicidad, siendo una herramienta popular en diversos laboratorios. En el Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información "Torres Quevedo" (CSIC, Madrid), se ha desarrollado un sistema experimental PALS para el estudio de materiales. El objetivo del proyecto es optimizar este sistema para analizar diversos materiales, utilizando detectores LYSO-SiPM y scripts de Matlab para el ajuste de espectros PALS. El trabajo implica el montaje del sistema, la creación de scripts para el procesamiento de datos, la medición de fotones de aniquilación en diferentes materiales, el uso de una fuente de 𝑁𝑎 22 como generador de positrones y el análisis de los espectros de diferencia de tiempos obtenidos. Se realizaron mediciones PALS en varios materiales, obteniendo espectros característicos de cada uno. A partir de estos, se extrajo información sobre el tiempo de vida media del positrón, comparando los resultados con la literatura existente. El cobre se utilizó como material de calibración debido a su espectro de decaimiento simple de una sola exponencial y por ende una sola vida media. Adicionalmente, se llevaron a cabo simulaciones en Matlab para validar la precisión de los scripts de análisis de espectros de diferencia de tiempos. Todo esto resultó en el desarrollo de un sistema experimental optimizado, listo para ser aplicado en diversas áreas de investigación.

[EN]Positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) is a versatile technique employed in various fields of physics. This methodology allows for the study of interactions between positrons and matter, including the formation of positronium. Since its inception, the PALS technique has undergone a notable evolution. Early systems used NaI(Tl) detectors and photomultiplier tubes with analog circuits, which offered limited temporal resolution. Over time, the introduction of new detectors and digital acquisition systems has significantly improved measurement precision. Nowadays, PALS is used to investigate complex phenomena such as violations of CPT symmetry, the analysis of structural defects in materials at the atomic level, and the determination of oxygen concentrations in biomedical studies for PET imaging. PALS analyzes the spectrum generated by measuring the time difference between the arrival of two gamma photons: one of 511 keV originating from the annihilation of the positron with the electron in the studied medium, and the 1275 keV gamma photon from the decay of 𝑁𝑎 22. Based on these spectra, information is obtained about the annihilation process of the positron, whether through direct annihilation or after forming positronium in one of its spin states, either p-Ps or o-Ps. The implementation of LYSO and SiPM detectors along with digital oscilloscopes has made PALS more accessible and simpler, turning it into a popular tool in various laboratories. At the Institute of Physical and Information Technologies "Torres Quevedo" (CSIC, Madrid), a PALS experimental system has been developed for the study of materials. The objective of this project is to optimize this system to analyze various materials, using LYSO-SiPM detectors and MATLAB scripts for PALS spectrum fitting. The work involves assembling the system, creating scripts for data processing, measuring annihilation photons in varied materials, using a 𝑁𝑎 22 source as a positron generator, and analyzing the time-difference spectra obtained. PALS measurements were carried out on several materials, obtaining characteristic spectra for each. From these, information was extracted about the positron's mean lifetime, and the results were compared with existing literature. Copper was used as a calibration material due to its simple decay spectrum with a single exponential, and therefore, a single lifetime. Additionally, simulations were conducted in MATLAB to validate the accuracy of the time-difference spectrum analysis scripts. All this resulted in the development of an optimized experimental system, ready to be applied in various areas of research.