Desarrollo y aplicaciones de detectores de radiación basados en sensores de imagen CMOS comerciales

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