ABSTRACT
Abstract The advanced GaAs:Cr material for radiation detection is in the scope of many scientific and technological institutions in the world, as a result of its proved superior properties and economic advantages. The energy calibration of a hybrid GaAs:Cr-based Timepix detector with alpha particles performed in the Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems at Joint Institute for Nuclear Research confirms that the device is able to register these particles in energy range from 3140 to 7687 keV. The mathematical simulation was used to calculate the transmitted energy, making possible the experimental calibration with the use of Mylar as absorbent. By calibrating the detector with characteristic X rays of some target materials and using a two steps fitting procedure was determined the relationship between the photon energies and the registered by the detector TOT counts. The energy calibration with alpha particles was performed according to a linear function and verified with the measurement of the 218Po line of radon in air.
Resumen El GaAs:Cr como material de avanzada para la detección de las radiaciones se encuentra en la mira de muchas instituciones científicas y tecnológicas en el mundo, como consecuencia de sus superiores propiedades y ventajas económicas. Los experimentos hechos en el Laboratorio de Problemas Nucleares Dzhelepov del Instituto Unificado de Investigaciones Nucleares para la calibración energética de un detector hibrido Timepix basado en GaAs:Cr con partículas alfa confirma que este dispositivo es capaz de registrar partículas en el rango energético de 3410 a 7687 keV. Se utilizó la simulación matemática para calcular la energía transmitida, haciendo posible la calibración experimental con el uso de Mylar como absorbente. Utilizando la calibración del detector hecha con los rayos X característicos de algunos materiales blanco y empleando un procedimiento de ajuste en dos pasos fue determinada la relación entre la energía de los fotones y los conteos TOT registrados por el detector. Se realizó la calibración energética con partículas alfa de acuerdo con una función lineal y se verificó con la medición de la línea del 218Po del radón en aire.
ABSTRACT
Abstract Among the latest ionizing radiation detectors, those based on chromium compensated gallium arsenide (GaAs:Cr) are ones of the most competitive for many applications due to their high Z and strong resistance to radiation damage. They have been used in high energy physics research, medical visualization and spatial technologies, geological prospecting, among other advanced fields. The object of this work is a 900 µm GaAs:Cr detector with Timepix readout technology. Some detector characteristics for three experimental conditions were measured and studied by using the X-rays from a synchrotron and an X-ray tube provided with different materials for obtaining the corresponding fluorescence photons. A complex function was used to decompose the differential spectra into the most important contributions involved. As an additional tool for the research, the mathematical modeling of the mobility of charge carriers generated by radiation within the active volume of the detector was used. The results of these charge sharing effect studies showed a noticeable prevalence in the detector of this effect, changing its contribution according to the experiment characteristics. The detector was calibrated for the planned experiments and the energy resolution was determined. From the analysis of all the obtained results and their comparison with those reported in literature, it was confirmed that the detector has a marked charge-sharing effect between neighboring pixels, being its performance more impaired as the energy of incident photons increases.
Resumen Entre los últimos detectores de radiación ionizante, los basados en arseniuro de galio compensado con cromo (GaAs: Cr) son de los más competitivos para muchas aplicaciones debido a su alto Z y fuerte resistencia al daño de la radiación. Se han utilizado en investigación de física de alta energía, visualización médica y tecnologías espaciales, prospección geológica, entre otros campos avanzados. El objeto de este trabajo es un detector de GaAs: Cr de 900 µm con tecnología de lectura Timepix. Algunas características del detector para tres condiciones experimentales se midieron y estudiaron utilizando rayos X de un sincrotrón y un tubo de rayos X provisto de diferentes materiales para obtener los fotones de fluorescencia correspondientes. Se utilizó una función compleja para descomponer los espectros diferenciales en las contribuciones más importantes involucradas. Como herramienta adicional para la investigación, se utilizó el modelado matemático de la movilidad de los portadores de carga generados por la radiación dentro del volumen activo del detector. Los resultados de estos estudios de efecto de carga compartida mostraron una prevalencia notable en el detector de este efecto, cambiando su contribución según las características del experimento. El detector se calibró para los experimentos planificados y se determinó la resolución de energía. A partir del análisis de todos los resultados obtenidos y su comparación con los reportados en la literatura, se confirmó que el detector tiene un marcado efecto de reparto de carga entre píxeles vecinos, y su rendimiento se ve más afectado a medida que aumenta la energía de los fotones incidentes.