Development of Photon Detection Techniques in Cryogenic Environments

Due to their versatility, Silicon Photomultipliers (SiPMs) have been employed in numerous applications across different fields. The ability of detecting single photons with good resolution, their mechanical ruggedness and insensitivity to magnetic fields made them the chosen photon detectors in various particle physics experiments. The research carried on these detectors can be exploited to employ them in further applications. The experience gained in cryogenic environment experiments make them the ideal candidate for deployment in extreme environments. In this thesis the FBK NUV-HD CRYO SiPMs employed in the DUNE experiment will be studied in order to assess the possibility of their employment for spectrometry in extreme environments to perform atmosphere pollutants measurements. The resilience to cryogenic environments, as per DUNE requirement (77K), has been confirmed and the characterization of the photon detection efficiencies in the red to near infrared wavelengths has been performed. Further studies relevant to DUNE are reported as part of the work done.

Grazie alla loro versatilità, i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM in inglese) sono stati impiegati in numerose applicazioni in diversi campi. Vari esperimenti hanno scelto di utilizzare SiPM grazie alla possibilità di rivelare singoli fotoelettroni con buona risoluzione, la robustezza meccanica e l'insensibilità ai campi magnetici. Gli studi effetuati su questi rivelatori possono essere utilizzati come punto di partenza per ulteriori applicazioni. L'esperienza accumulata grazie ad esperimenti a temperature criogeniche ha dimostrato come i SiPM siano rivelatori ideali per l'utilizzo in ambienti estremi. In questa tesi, i SiPM FBK NUV-HD CRYO che verranno utilizzati nell'esperimento DUNE sono studiati al fine di determinare se sia possibile il loro utilizzo per effettuare spettrometria di agenti inquinanti dell'atmosfera in ambienti estremi. La resilienza ad ambienti criogenici è stata confermata secondo i requisiti di DUNE (77K), ed è stata inoltre misurata l'efficienza di rivelazione di fotoni nelle lunghezze d'onda del rosso e vicino infrarosso. Sono infine descritti ulteriori studi rilevanti per l'esperimento DUNE.