Arreglos de sensores de radiación ionizante integrados

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El presente trabajo abarca el estudio, aplicación y diseño de arreglos de sensores de radiación ionizante integrados. En particular, se hace énfasis en el uso de circuitos integrados en tecnología CMOS, tanto en procesos de tipo bulk como en procesos de tipo Silicon-on-Insulator (SOI), para la de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Alcalde Bessia, Fabricio P.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2020
Materias:
Detectores de radiación
Detectors
Detectores
Ionizingf radiations
Radiaciones ionizantes
Sensors
Sensores
[Radiography
Radiografía]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/926/1/Alcalde_Bessia.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description El presente trabajo abarca el estudio, aplicación y diseño de arreglos de sensores de radiación ionizante integrados. En particular, se hace énfasis en el uso de circuitos integrados en tecnología CMOS, tanto en procesos de tipo bulk como en procesos de tipo Silicon-on-Insulator (SOI), para la detección de partículas y adquisición de imágenes radiográficas. Además, se estudian los efectos que la radiación produce en los dispositivos fabricados en esta tecnología y se aprovechan esos efectos para implementar un sensor de dosis e identificar mecanismos de daño a sensores de imagen. En este sentido, el efecto de degradación por dosis total se utiliza para determinar la dosis absorbida con transistores MOS fabricados en un proceso de tipo Fully-Depleted SOI (FD-SOI). En este punto se realiza el primer aporte de la tesis al estado del arte: se presenta un circuito formado por un par de transistores FD-SOI complementarios cuya salida es proporcional a la dosis absorbida y que, además, cuenta con compensación ante variaciones de temperatura. Se realiza una descripción del funcionamiento del circuito y una caracterización del mismo utilizando para ello fotones de rayos X de alta energa. A continuación, se estudia el uso de sensores de imagen CMOS comerciales para la adquisición de imágenes radiográficas mediante la técnica de detección directa. Se muestra la capacidad de adquirir imágenes radiográficas de distintos objetos y, luego, se realiza un análisis de los factores que intervienen en la eficiencia y resolución de la técnica, demostrando que existe una relación de compromiso entre ambas. Por otro lado, aprovechando la capacidad de este tipo de sensores de detectar y clasificar partículas, se implementa un prototipo en base al cual es posible identificar partículas provenientes de la cadena de decaimiento del gas radón. Otra aplicación de los sensores de imagen CMOS es la adquisición de imágenes radiográficas de neutrones térmicos mediante la utilización de capas de conversión neutrónicas. El aporte de este trabajo en la materia es demostrar que, en los circuitos integrados que usan BoroPhosphoSilicate Glass (BPSG), los neutrones térmicos producen daño por desplazamiento en el arreglo de píxeles y que, para evitarlo, se deben utilizar tecnologías mas modernas donde no se utilice boro en el proceso de fabricación. Finalmente, se presenta el diseño de un circuito integrado de aplicación específica para la detección de partículas ionizantes. Se trata de un detector pixelado de tipo monolítico, fabricado en un proceso SOI, que tiene las junturas sensibles a radiación construidas debajo del oxido enterrado y la electrónica de procesamiento en el lm de silicio superior. Se realizo una primera caracterización del detector con rayos X de baja energía mediante la fluorescencia de varios materiales. Se obtuvo el espectro de altura de pulsos, se realizo una calibración en energía de su respuesta y se midió el ruido electrónico. Gracias a sus características, el detector podrá ser utilizado para la obtención de imágenes radiográficas agregando resolución en energía.
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En este sentido, el efecto de degradación por dosis total se utiliza para determinar la dosis absorbida con transistores MOS fabricados en un proceso de tipo Fully-Depleted SOI (FD-SOI). En este punto se realiza el primer aporte de la tesis al estado del arte: se presenta un circuito formado por un par de transistores FD-SOI complementarios cuya salida es proporcional a la dosis absorbida y que, además, cuenta con compensación ante variaciones de temperatura. Se realiza una descripción del funcionamiento del circuito y una caracterización del mismo utilizando para ello fotones de rayos X de alta energa. A continuación, se estudia el uso de sensores de imagen CMOS comerciales para la adquisición de imágenes radiográficas mediante la técnica de detección directa. Se muestra la capacidad de adquirir imágenes radiográficas de distintos objetos y, luego, se realiza un análisis de los factores que intervienen en la eficiencia y resolución de la técnica, demostrando que existe una relación de compromiso entre ambas. Por otro lado, aprovechando la capacidad de este tipo de sensores de detectar y clasificar partículas, se implementa un prototipo en base al cual es posible identificar partículas provenientes de la cadena de decaimiento del gas radón. Otra aplicación de los sensores de imagen CMOS es la adquisición de imágenes radiográficas de neutrones térmicos mediante la utilización de capas de conversión neutrónicas. El aporte de este trabajo en la materia es demostrar que, en los circuitos integrados que usan BoroPhosphoSilicate Glass (BPSG), los neutrones térmicos producen daño por desplazamiento en el arreglo de píxeles y que, para evitarlo, se deben utilizar tecnologías mas modernas donde no se utilice boro en el proceso de fabricación. Finalmente, se presenta el diseño de un circuito integrado de aplicación específica para la detección de partículas ionizantes. Se trata de un detector pixelado de tipo monolítico, fabricado en un proceso SOI, que tiene las junturas sensibles a radiación construidas debajo del oxido enterrado y la electrónica de procesamiento en el lm de silicio superior. Se realizo una primera caracterización del detector con rayos X de baja energía mediante la fluorescencia de varios materiales. Se obtuvo el espectro de altura de pulsos, se realizo una calibración en energía de su respuesta y se midió el ruido electrónico. Gracias a sus características, el detector podrá ser utilizado para la obtención de imágenes radiográficas agregando resolución en energía. The present work covers the analysis, application, and design of arrays of integrated ionizing radiation sensors. Particularly, it is focused on the use of CMOS integrated circuits, in both bulk and Silicon on Insulator (SOI) fabrication processes, for particle detection and acquisition of radiographic images. Also, radiation eects to CMOS integrated circuits are studied, allowing the implementation of a sensor that is capable of measuring radiation dose and the identication of radiation damage produced to this type of image sensors. In this sense, the absorbed radiation dose is measured by taking advantage of the eect produced to Fully Depleted SOI (FD-SOI) MOS transistors when exposed to a total ionizing dose. A pair of complementary FD-SOI transistors are used to create a novel circuit which has an output proportional to the dose absorbed by the devices, and this constitutes the rst contribution of this thesis to the state of the art in the topic. A description of the operating principle is presented along with a characterization of its response to high-energy X rays. Next, the use of commercial CMOS image sensors for the acquisition of radiographic images by direct photon detection is studied. The ability of these sensors to acquire radiographic images of dierent objects is shown and an analysis of factors involved in the nal resolution and eciency of the technique is carried out, where a trade o between both is demonstrated. On the other hand, by taking advantage of the particle detection and classication capabilities of these sensors, a prototype of radiation detector is built which allows the identication of particles released by Radon. Another application of CMOS image sensors is neutron imaging with the addition of a neutron conversion layer on top of the sensor. In this application the sensor is directly exposed to thermal neutrons. The contribution of this work is to demonstrate that displacement damage is produced to the array of pixels by thermal neutrons when the integrated circuit fabrication process makes use of BoroPhosphoSilicate Glass (BPSG). In order to avoid this damage, newer technologies|which do not add Boron to insulation layers|should be used. Finally, an application specic integrated circuit for the detection of ionizing particles is presented. It is a monolithic and pixelated sensor, fabricated in an SOI process, which has radiation sensitive junctions below the buried oxide connected to the processing electronics on the top silicon lm. A rst characterization of the sensor was carried out using low energy uorescence X rays from dierent materials. Pulse height spectrums and the energy calibration curve were obtained and, nally, the electronic noise was measured. This sensor is suitable for the acquisition of radiographic images with the addition of spectroscopic information. 2020-03-18 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/926/1/Alcalde_Bessia.pdf es Alcalde Bessia, Fabricio P. (2020) Arreglos de sensores de radiación ionizante integrados / Integrated arrays of ionizing radiation sensors. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/926/

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