RESUMEN
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.
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The electron and positron contributions to the effective atom displacement cross-section in multi-walled carbon nanotube bulk materials exposed to the gamma rays were calculated. The physical properties and the displacement threshold energy value reported in literature for this material were taken into account. Then, using the mathematical simulation of photon and particle transport in matter, the electron and positron energy flux distributions within the irradiated object were also calculated. Finally, considering both results, the atom displacement damage profiles inside the analyzed bulk carbon nanotube material were determined. The individual contribution from each type of secondary particles generated by the photon interactions was specified. An increasing behavior of the displacement cross-sections for all the studied particles energy range was observed. The particles minimum kinetic energy values that make probabilistically possible the single and multiple atom displacement processes were determined. The positrons contribution importance to the total number of point defects generated during the interaction of gamma rays with the studied materials was confirmed.
Se presentan los resultados del cálculo de las contribuciones de los electrones y los positrones a la sección eficaz de desplazamiento de los átomos de carbono en materiales masivos constituidos por nanotubos de paredes múltiples. Para ello se tomaron en consideración las propiedades físicas y la energía umbral de desplazamiento del carbono reportadas en la literatura para este material. Se calculó también la distribución espacial de los flujos energéticos de los electrones y positrones dentro del blanco irradiado utilizando la simulación matemática del transporte de los fotones y las partículas en la materia. Considerando ambos resultados, se determinaron los perfiles de daño por desplazamientos atómicos dentro del material masivo analizado, particularizando el aporte de cada tipo de partícula secundaria generada por la interacción de los fotones. Los resultados mostraron el comportamiento creciente de las secciones eficaces de desplazamiento en todo el rango de energía cinética evaluado. Se determinaron los valores de energías cinéticas de electrones y positrones a partir de los cuales son probabilísticamente posible los procesos de desplazamientos atómicos simples y múltiples. Se confirmó la importancia del aporte de los positrones al número total de defectos puntuales generados durante la interacción de los rayos gamma con el material estudiado.
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The displacement per carbon atom cross-sections behaviors with the secondary electron and positron kinetic energy for spherical fullerene C60 molecules are calculated. To accomplish this, the McKinley-Feshbach approach and the Kinchin-Pease approximation were taking into account, using two different displacement threshold energies. The total displacements per atom number generated indirectly by the photons in bulk samples composed of C60 fullerenes is also calculated. Besides, the behaviors of secondary particles contributions with the used displacement threshold energies and incident photon energies are determined. The in-depth distribution of electron and positron contributions and their relationship with the total displacements number are presented and debated. It was found that the positrons contribution to the total atom displacements number is very significant in processes involving the interaction of gamma quanta with energy up to 100 MeV in C60 fullerenes bulk samples.
Teniendo en cuenta las aproximaciones de McKinley-Feshbach y Kinchin-Pease se calcularon los comportamientos de las secciones eficaces de desplazamientos de los átomos de carbono en moléculas esféricas de fullereno C60, en función de la energía cinética de los electrones y positrones secundarios para dos valores de energía umbral de desplazamiento. También se calcularon el número total de desplazamientos atómicos generados de manera indirecta por los fotones en las muestras masivas de fullerenos C60 estudiadas. Además, se estudió el comportamiento de las contribuciones electrónicas y positrónicas, determinando sus dependencias con las energías de desplazamientoutilizadas y la energía de los fotones incidentes. Se presentan y debaten la distribución en profundidad de las contribuciones de los electrones y positrones, así como la relación entre ellos y el número total de desplazamientos. El aporte de la contribución de los positrones al número total de desplazamientos atómicos generados durante el proceso de interacción de los cuantos gamma de energías hasta 100 MeV con muestras masivas de fullerenos C60 se discutió lo que este resulta muy significativo.
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RESUMEN El daño radiacional en términos de desplazamientos atómicos en un típico detector de CZT empleado en aplicaciones de imagenología médica fue estudiado utilizando el método estadístico de Monte Carlo. Se tuvieron en cuenta todas las características estructurales y geométricas del detector, así como las diferentes energías de los fotones usualmente empleados en la aplicación. Considerando la aproximación clásica de Mott-McKinley-Feshbach se calcularon las secciones eficaces de desplazamiento, así como el número de desplazamientos por átomo para cada especie atómica presente en el material y para cada energía considerada de los fotones. Estos resultados se analizan y comparan entre sí y finalmente se establece la comparación entre el daño radiacional que tiene lugar en el detector de CZT con el que se manifiesta en un detector similar, pero fabricado con otros materiales semiconductores.
ABSTRACT Radiation damage in terms of atomic displacements in a typical CZT detector used in medical imaging applications was studied using the Monte Carlo statistical method. All detector structural and geometric features as well as different energies of the photons usually used in the application were taken into account. Considering the Mott-McKinley-Feshbach classical approach, effective cross sections of the displacements were calculated, including the number of displacements per atom for each atomic species present in the material and each photon energy considered. These results are analyzed and compared. Finally, the radiation damage on CZT detector is compared to that calculated in a similar detector manufactured with other semiconducting materials.
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Se presentan los resultados de los cálculos de la distribución de desplazamientos atómicos en el superconductor 
y en láminas de hierro inducida por radiación gamma hasta 15 MeV. Se introdujo un procedimiento de cálculo para las secciones eficaces de desplazamiento y para las distribuciones de desplazamientos atómicos, basado en el uso de los valores de la distribución del flujo energético de los electrones secundarios, obtenidos con ayuda del código de cálculo MCNPX basado en el método de Monte Carlo. Se compararon los resultados de los cálculos de la distribución de desplazamientos atómicos con los perfiles de energía depositada, obteniéndose una correlación casi lineal entre ambos a diferentes profundidades en las muestras para un amplio intervalo de energías de la radiación gamma incidente.
The results of the calculations of the displacements per atom distribution induced by the gamma irradiation on superconductor and Iron slabs up to 15 MeV are presented. Firstly, a calculation procedure for the displacements cross sections and the displacements per atom distributions was introduced, relaying on the application of the energy flux distribution values of secondary electrons, formerly calculated using the Monte Carlo methods based code system MCNPX. Finally, calculation results of displacements per atom distribution were compared with the corresponding energy deposition profiles, obtaining a nearly linear correlation among them at different depth positions for a wide range of Gamma Radiation incident energy.
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Utilizando la aproximación de Mott-McKinley-Feshbach en el trabajo se calculó la dependencia de la sección transversal de desplazamiento para cada especie de átomo de la estructura del a-Si:H en los intervalos de energía típicos de los electrones secundarios generados por los rayos X empleados en aplicaciones de imagenología médica. Se observó que para energías de los electrones superiores a 1,52 keV son posibles los desplazamientos de átomos de hidrógeno, mientras que la energía umbral de desplazamiento de los átomos de silicio resultó de 126 keV. Estos resultados se compararon con los obtenidos para detectores similares pero fabricados de silicio cristalino. Con el empleo de la simulación matemática del transporte de la radiación en la materia se calculó el especto energético de los electrones secundarios con el objetivo de estimar el número de desplazamientos por átomos que tienen lugar en el dispositivo amorfo semiconductor en régimen de trabajo. La distribución espacial de los dpa en el volumen del detector, así como su comportamiento con la profundidad son presentados y discutidos en el texto.
In present paper the dependence of the displacement cross sections of the different species of atoms in the a-Si:H structure, with the energy of the secondary electrons generated by the X-rays of the typical energies using in medical imaging applications, was calculated using the Mott-McKinley-Feshbach approach. It was verified that for electron energies higher than 1.52 keV it is possible the occurrence of hydrogen atoms displacements, while for the silicon atoms the threshold energy is 126 keV. These results were compared with those obtained for similar detectors but developed with crystalline silicon. With the use of the mathematical simulation of the radiation transport in the matter, the energy spectrum of the secondary electrons was calculated in order to estimate the number of atomic displacements, which take place in the semiconducting amorphous device in working regime. The spatial distribution of the dpa in the detectors volume, as well as its behavior with the depth in the work region are presented and discussed in the text.