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.

Electron and positron contributions to the displacement per atom profile in bulk multi-walled carbon nanotube material irradiated with gamma rays / Aporte de electrones y positrones al perfil de desplazamientos atómicos en materiales masivos de nanotubos de carbono de paredes múltiples irradiados con rayos gamma.

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.

Pet-Compton system. Comparative evaluation with PET system using Monte Carlo simulation / Sistema Pet-compton. Evaluación comparativa con el sistema PET usando la simulación por Monte Carlo

Positron Emission Tomography (PET) in small animals has actually achieved spatial resolution round about 1 mm and currently there are under study different approaches to improve this spatial resolution. One of them combines PET technology with Compton Cameras. This paper presents the idea of the so called "PET-Compton" systems and has included comparative evaluation of spatial resolution and global efficiency in both PET and PET-Compton system by means of Monte Carlo simulations using Geant4 code. Simulation was done on a PET-Compton system made-up of LYSO-LuYAP scintillating detectors of particular small animal PET scanner named "Clear-PET"and for Compton detectors based on CdZnTe semiconductor. A group of radionuclides that emits a positron (e+) and Y quantum almost simultaneously and fulfills some selection criteria for their possible use in PET-Compton systems for medical and biological applications were studied under simulation conditions. By means of analytical reconstruction using SSRB (Single Slide Rebinning) method were obtained superior spatial resolution in PET-Compton system for all tested radionuclides (reaching sub-millimeter values of for 22Na source). However this analysis done by simulation have shown limited global efficiency values in "PET-Compton" system (in the order of 10-5 - 10-5 %) instead of values around 5-10-1% % that have been achieved in PET system.

En la actualidad la tomografía por emisión de positrones (PET en pequeños animales ha alcanzado valores de resolución espacial cercanos a mm y en estos momentos se encuentran bajo estudio diferentes aproximaciones para mejorar dicha resolución espacial. Una de ellas combina la tecnología PET con las cámaras Compton. Este trabajo presenta la idea del denominado Sistema "PET-Compton" e incluye una evaluación comparativa de la resolución espacial y la eficiencia global de los sistemas PET y PET-Compton por medio de la simulación por Monte Carlo, utilizando el código Geant4. La simulación fue realizada en un sistema PET-Compton compuesto por detectores centellantes de LYSO-LUYAP de un específico y pequeño escáner PET denominado "Clear-PET" y para detectores Compton en base al semiconductor CdZnTe. Se estudiaron bajo las condiciones de simulación un grupo de radionúclidos que emiten un positrón (e+) y un cuanto gamma casi simultáneamente y cumplen ciertos criterios de selección para su posible utilización en aplicaciones médicas y biomédicas de los sistemas PET-Compton. Por medio de la reconstrucción analítica, empleando el método de reordenamiento de cortes simples (SSRB) se obtuvo una resolución espacial superior para el sistema PET-Compton en todos los radionúclidos de prueba, que alcanzó valores por debajo del milímetro para la fuente de 22Na. Sin embargo, el análisis realizado por medio de la simulación demostró valores limitados de eficiencia global para el sistema PET-Compton (del orden de 10-5-10-5%) en contraposición a los valores cercanos a 5-10-1 % que se alcanzaron para el sistema PET.

Monte Carlo calculation of carbon atom displacement damage in C60 fullerene bulk materials irradiated with gamma rays / Cálculo por Monte Carlo del daño por desplazamientos de los átomos de carbono en materiales masivos basados en fullerenos C60 irradiados con rayos gamma

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.

Simulation and evaluation of the absorption edge subtraction technique in energy-resolved X-ray radiography applied to the cultural heritage studies / Simulación y evaluación de la técnica de sustracción del borde de absorción en un sistema radiográfico espectrométrico destinado al estudio del patrimonio cultural

ABSTRACT In this work the mathematical simulation of photon transport in the matter was used to evaluate the potentials of a new energy-resolved X-ray radiography system. The system is intended for investigations of cultural heritage object, mainly painting. The radiographic system uses polychromatic radiation from an X-ray tube and measures the spectrum transmitted through the object with an energy-dispersive X-ray detector on a pixel-by-pixel basis. Manipulation of the data-set obtained allows constructing images with enhanced contrast for certain elements. Here the use of the absorption edge subtraction technique was emphasized. The simulated results were in good agreement with the experimental data.

RESUMEN En este trabajo se utilizó la simulación matemática del transporte de los fotones en la materia para evaluar las potencialidades de un nuevo sistema radiográfico destinado al estudio de obras del patrimonio cultural. Este sistema emplea una fuente de rayos X no monocromática y mide a nivel de píxel el espectro transmitido a través del objeto en estudio con un detector espectrométrico. El procesamiento del conjunto de datos obtenidos permite la construcción de imágenes con contraste realzado para ciertos elementos. En el presente trabajo se enfatizó en el uso de la técnica de sustracción del borde de absorción para el procesamiento de las imágenes. Los resultados de las simulaciones resultaron consistentes con las mediciones experimentales.

Estudio de la eficiencia cuántica de un detector de microbandas de silicio mediante la modelación matemática / Study of silicon microstrips detector quantum efficiency using mathematical simulation

RESUMEN Se presentan los resultados en la aplicación de la simulación matemática para el estudio de la eficiencia cuántica de un detector de silicio cristalino del tipo microbandas, destinado a imagenología médica y al desarrollo de otras aplicaciones como la autenticación y fechado de obras de arte. Se evaluó el efecto de la geometría fuente-detector, de la energía de los rayos X y del grosor de la zona muerta del detector en la eficiencia cuántica de este dispositivo. Los resultados de la simulación se compararon con el pronóstico teórico y con los datos experimentales disponibles, verificándose una adecuada correspondencia. Se concluyó que la configuración frontal es más eficiente para energías incidentes menores a los 17 keV, y que la configuración de borde es la recomendada para aplicaciones que requieran la detección de energías superiores a este valor. También se determinó que la disminución de la zona muerta del detector conduce a un considerable aumento de la eficiencia para cualquier valor de energía en el intervalo de 5 a 100 keV.

ABSTRACT The paper shows the results from the application of mathematical simulation to study the quantum efficiency of a microstrips crystalline silicon detector, intended for medical imaging and the development of other applications such as authentication and dating of cultural heritage. The effects on the quantum efficiency of some parameters of the system, such as the detector-source geometry, X rays energy and detector dead zone thickness, were evaluated. The simulation results were compared with the theoretical prediction and experimental available data, resulting in a proper correspondence. It was concluded that the use of frontal configuration for incident energies lower than 17 keV is more efficient, however the use of the edge-on configuration for applications requiring the detection of energy above this value is recommended. It was also found that the reduction of the detector dead zone led to a considerable increase in quantum efficiency for any energy value in the interval from 5 to 100 keV.

Radiation damage study in CZT matrix detectors exposed to gamma rays / Estudio del daño radiacional en detectores matriciales de CZT expuestos a los rayos gamma

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.

Calculation of displacements per atom distributions in solid materials / Cálculo de distribuciones de desplazamientos atómicos en materiales sólidos

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.

Calculation of the displacement cross sections and the dpa distribution in hydrogenated amorphous silicon semiconductors detectors in medical digital imaging applications / Cálculo de la sección transversal de desplazamiento y la distribución de los dpa en detectores semiconductores de silicio amorfo hidrogenado en aplicaciones de imagenología digital médica

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.