Pérez, Martín (2021) Desarrollo y aplicaciones de detectores de radiación basados en sensores de imagen CMOS comerciales / Development and applications of radiation detectors based on commercial CMOS image sensors. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En el marco del presente trabajo de tesis doctoral se desarrollaron, implementaron y evaluaron diferentes aplicaciones de detección de radiación ionizante basadas en sensores de imagen comerciales fabricados con procesos CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Estos sensores están diseñados para la detección de luz visible y son ampliamente utilizados en dispositivos de electrónica de consumo masivo |como teléfonos celulares, computadoras, cámaras fotográficas, etc.| por lo que poseen un bajo costo y se pueden conseguir muy fácilmente en el mercado. En primer lugar se presenta el desarrollo, implementación y caracterización de un método para la detección de neutrones térmicos basado en sensores de imagen CMOS cubiertos con capas de conversión que contienen oxido de gadolinio. Se demuestra experimentalmente la factibilidad del método de detección y se evalúa el desempeño de sensores cubiertos con capas de conversión de diferentes espesores. Se obtuvo una eficiencia de detección intrínseca de 11.3% con una capa de conversión de un espesor de 11.6 µm, dicha eficiencia puede ser mejorada utilizando capas de conversión de mayor espesor. Se verifico experimentalmente que la eficiencia de detección es independiente de la intensidad del flujo de neutrones térmicos incidente, lo cual se confirmo utilizando capas de conversión de diferentes espesores. Los detectores de neutrones desarrollados en el marco de este trabajo, podrán ser especialmente útiles para la caracterización de haces de neutrones, la dosimetría de neutrones y pueden ser aplicados en diferentes técnicas experimentales como: neurografía, SANS, reflectrometría de neutrones, entre otras. En segundo lugar, se presenta un método para la detección de neutrones con alta resolución espacial basado en sensores de imagen CMOS comerciales cubiertos con nanopartículas de fluoruro de gadolinio-sodio (NaGdF_4). Se presenta el procedimiento de síntesis y la caracterización de las nanopartículas de NaGdF_4 como as también el método empleado para realizar la deposición de las capas de conversión sobre la superficie de los sensores. Por otra parte, se desarrollo una técnica para la fabricación de patrones de calibración realizados con materiales absorbentes de neutrones, estos patrones fueron diseñados para evaluar la resolución espacial de la técnica de detección de neutrones implementada. Estudiando las neutrografías adquiridas en los experimentos realizados se pudo concluir que una cota superior para la resolución espacial del método desarrollado es (15±6) m, lo que lo hace comparable a los mejores detectores de neutrones sensibles a posición empleados en la actualidad. En tercer lugar, se presenta un método para la obtención de neutrografías con sensores de imagen CMOS mediante la activación de placas de transferencia de indio. Este método se utiliza para la adquisición de imágenes neutrográficas en haces mixtos con una componente gamma importante y también puede ser utilizado para analizar muestras con altos niveles de actividad que, por lo general, se encuentran dentro de piletas de reactores nucleares. En este trabajo se presenta la primera prueba de concepto de una técnica para obtener neutrografías multiespectrales aprovechando la resonancia de absorción neutrónica del In en el rango epitérmico y la alta sección eficaz de este material para el rango térmico. Por último, se presenta un nuevo método para la realización de espectroscopía de rayos X de hasta 17.7 keV con sensores de imagen CMOS comerciales. Se obtienen los espectros de energía registrando la señal producida por los pares electrón-hueco generados por los rayos X que interactúan con los píxeles del sensor. Se presentan los espectros obtenidos exponiendo al sensor a diferentes líneas de rayos X y se compara el desempeño de los sensores de imagen con el de un Silicon Drift Detector. Además, se presentan la configuración óptima del sensor para la obtención de los espectros, los algoritmos para la detección de los eventos y el cálculo de la eficiencia de detección del método propuesto. La alta velocidad de lectura de los sensores de imagen CMOS permite realizar mediciones a temperatura ambiente, lo que simplifica su utilización en sistemas portátiles o de bajo costo, esto representa una ventaja con respecto a otros detectores híbridos pixelados y a los Silicon Drift Detectors comúnmente utilizados para esta aplicación.
Resumen en inglés
This work presents four applications of ionizing radiation detection based on Commercial O The Shelf CMOS image sensors. This sensors are widely used in consumer electronics, and have usually very low cost. Firstly, a novel position sensitive thermal neutron detection technique based on a Commercial O The Shelf CMOS image sensor covered with a Gadolinium containing conversion layer is introduced. An intrinsic thermal neutron detection eciency of 11.3% has been experimentally obtained with a conversion layer of 11.6 µm, wich can be inproved with thicker conversion layers. It was experimentally veried that the thermal neutron detection eciency of this technique is independent on the intensity of the incident thermal neutron ux, which was conrmed for conversion layers of dierent thicknesses. The proposed technique is specially useful for neutron beam characterization, neutron beam dosimetry, high resolution neutron imaging, and several neutron scattering techniques. Secondly, we present a neutron radiography technique based on commercial CMOS image sensors covered with nanoparticles of sodium gadolinium fluoride (NaGdF_4). The synthesis procedure and characterization of the NaGdF_4 nanoparticles are presented, as well as the method used to the deposition of the conversion layers on the surface of the chips. On the other hand, we present a method for the manufacture of test patterns made with neutron absorbing materials. These patterns were designed to evaluate the performance of the proposed neutrography technique. Studying the acquired neutrographs, it was possible to conclude that (15±6) m is an upper limit for the spatial resolution of the developed method, which is comparable with that obtained with the best neutron position sensitive detectors used nowadays. Third, we present a method for obtaining neutrographs with CMOS image sensors through the activation of indium foils. This method has been designed specially for the acquisition of neutrographic images in mixed beams with a high gamma flux, and also for the study of high radioactive samples that, generally, are placed inside of research reactor pools. This work presents the rst proof of concept of a technique to obtain multispectral neutrographs taking advantage of the In resonance in the epithermal range and the high cross section of this material in the thermal range. Finally, the X-ray spectroscopy capability of a Commercial O The Shelf CMOS image sensor for photons with energies in the range of 1.71 to 17.7 keV has been experimentally demostrated. In the proposed method, the energy spectra are obtained by measuring the signal produced by the electron-hole pairs generated after the interaction between the X-rays and the pixels of the sensor. The obtained results are compared with that obtained using a Silicon Drift Detector. In addition, the optimal conguration of sensor for X-ray spectroscopy, the algorithms for the detection of events and the calculation of the detection eciency of the proposed method are presented. The low acquisition time of CMOS image sensors allows measurements at room temperature, this characteristic simplies the use of this kind of sensors in portable and low-cost systems, which has clear adeventages on the standard detectors normally used for X-ray spectroscopy.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Radiation detectors; Detectores de radiaciones; Sensors; Sensores; Neutron detectors; Detectores de neutrones; X-ray spectroscopy; Espectroscopía de rayos X; [Neutrography; Neutrografía] |
| Materias: | Ingeniería nuclear > Detectores de radiación |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Materia condensada > Bajas temperaturas Gcia. de área de Energía Nuclear > Gcia. de Ingeniería Nuclear > Física de neutrones |
| Código ID: | 969 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 23 Aug 2021 13:06 |
| Última Modificación: | 23 Aug 2021 13:06 |
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