Analysis of radiation effects on some properties of GaAs:Cr and Si sensors exposed to a 22 MeV electron beam / Análisis de los efectos de la radiación en algunas propiedades de sensores de GaAs:Cr y Si expuestos a un haz de electrones de 22 MeV

Abstract Nowadays, the experiments related to High Energy Physics and others fields demand the use of detectors with greater radiation resistance, and the novel material GaAs:Cr has demonstrated excellent radiation hardness compared with other semiconductors. On the basis of evidence obtained in the JINR experiment with the use of 22 MeV electrons beam generated by the LINAC-800 accelerator, an analysis of electron radiation effects on GaAs:Cr and Si detectors is presented. The measured I-V characteristics showed a dark current increase with dose, and an asymmetry between the two branches of behaviors for all detectors. Analyzing the MIP spectra and CCE dose dependence measurements a deterioration process of detectors collection capacity with dose increase was found, although behaviors are somewhat different according to the detector type. The detailed explanation of these effects from the microscopic point of view appears in the text, and are generally linked to the generation of atomic displacement, vacancies and other radiation defects, modifying the energy levels structure of the target material. These changes affect the lifetime and concentration of the charge carriers, and other characteristics of the target material.

Resumen Actualmente, los experimentos relacionados con la física de altas energías y otros campos, demandan el uso de detectores con mayor resistencia a las radiaciones y el novedoso material GaAs:Cr ha demostrado poseer una excelente fortaleza comparado con otros semiconductores. En base a las evidencias obtenidas en el experimento del IUIN con el uso de un haz de electrones de 22 MeV generado por el acelerador LINAC-800, se presenta un análisis de los efectos de la radiación en detectores de Si y GaAs:Cr. Las características I-V medidas mostraron un incremento de la corriente de fuga con la dosis y una asimetría entre las dos ramas de estos comportamientos para todos los detectores. Analizando las mediciones de los espectros MIP y la dependencia de la CCE con la dosis, fue encontrado un proceso de deterioro de la capacidad de detección de los detectores con el aumento de la dosis, sin embargo, los comportamientos son diferentes de acuerdo al tipo de detector. La explicación detallada de estos efectos desde el punto de vista microscópico aparece en el texto, los cuales están relacionados generalmente con la generación de desplazamientos atómicos, vacancias y otros defectos producto de la radiación, modificando la estructura de los niveles energéticos en el material sensor. Estos cambios afectan el tiempo de vida y la concentración de los portadores de carga, así como otras características del material.

Monte Carlo simulation of the radiation transport in chromium compensated gallium arsenide detectors / Simulación por Monte Carlo del transporte de las radiaciones en detectores dearseniuro de galio compensado con cromo

Abstract Some results obtained with the use of Monte Carlo mathematical simulation of radiation transport in Timepix hybrid detectors based on chromium compensated gallium arsenide are presented in this contribution. The MCNPX, GEANT4, SRIM and MCCM code systems were used for this purpose. The in-depth profiles of the deposited energy by the incident photons within the sensor active volume, the shapes and dimensions of the generated charge carriers clouds for different incident energies and specific geometrical conditions were obtained and presented. The 22Ne ions ranges in the target material for two different energies and the contributions of each energy loss channel were also determined. Finally, for a selected detector irradiated with photons of different energies, the displacement cross sections for each chemical element in the active material, as well as the number of displacements per atoms produced for each atomic species were calculated.

Resumen En este trabajo se presentan algunos de los resultados obtenidos con el uso de la modelación matemática por Monte Carlo del transporte de radiación en detectores híbridos Timepix basados en el arseniuro de galio compensado con cromo. Se emplearon para este propósito los sistemas de códigos MCNPX, GEANT4, SRIM y MCCM. Fueron obtenidos los perfiles en profundidad de la energía depositada por la radiación incidente dentro del volumen activo del sensor, las formas y dimensiones de las nubes de portadores de cargas generados por fotones incidentes de diferentes energías y condiciones geométricas específicas. También se determinaron los alcances de los iones de 22Ne de dos energías diferentes en el material blanco y las contribuciones de cada canal de pérdida de energía. Finalmente, para un detector seleccionado irradiado con fotones de diferentes energías se calcularon las secciones eficaces de desplazamiento para cada elemento químico en el material activo, así como el número de desplazamientos por átomos producidos para cada especie atómica.

Study of charge sharing effect and energy resolution of the Timepix hybrid detector based on gallium arsenide compensated with chromium / Estudio del efecto de compartición de cargas y la resolución energética del detector híbrido Timepix de arseniuro de galio compensado con cromo

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.

Aplicación de un modelo de un acelerador Elekta Precise basado en Monte Carlo para la evaluación de la respuesta de detectores de estado sólido / Application of an Elekta Precise lineal accelerator model based on Monte Carlo to evaluate the solid state detectors response

En el trabajo se realizó el análisis de la respuesta de diferentes detectores de estado sólido a partir de un modelo de Monte Carlo de un acelerador lineal Elekta Precise, para los haces de energías de 6 MV y 15 MV. Para ello se realizaron simulaciones con el código EGSnrc. Se calculó la dosis depositada en un maniquí de agua voxelizado con su superficie a 100 cm de la fuente, empleando los valoresóptimos de energía media y FWHM del haz primario de electrones para este modelo. A partir de la dosis depositada en el maniquí se construyeron las curvas de dosis en profundidad y perfiles de dosis a diferentes profundidades. Las curvas se compararon con valores medidos para cada detector empleado en un arreglo experimental similar a la simulación realizada, aplicando criterios de aceptabilidad basados en intervalos de confianza. De forma adicional se analizó para cada caso la dosis en función del tamaño de campo. Se obtuvo una buena correspondencia entre las simulaciones y las mediciones, encontrándose todos los resultados dentro de los márgenes de tolerancia.

The evaluation of the solid state detectors response based on a Monte Carlo model of an Elekta Precise lineal accelerator, was done in this work for the beam energies of 6 y 15 MV. Simulations were performed using the EGSnrc code. Employing the optimal values of mean energy and FWHM from the primary electron beam, deposited dose in a voxelized water phantom at 100 cm of source to surface distance was calculated. Depth dose curves and lateral dose profi les were obtained. Comparison between simulations and the experimental values obtained for each detector, were done using acceptability criteria based on confi dence limits. Additionally outputs factors were analyzed in each one of the study cases. Good agreement between simulations and measurements were reached.