Arreglos de sensores de radiación ionizante integrados

El presente trabajo abarca el estudio, aplicación y diseño de arreglos de sensores de radiación ionizante integrados. En particular, se hace énfasis en el uso de circuitos integrados en tecnología CMOS, tanto en procesos de tipo bulk como en procesos de tipo Silicon-on-Insulator (SOI), para la detección de partículas y adquisición de imágenes radiográficas. Además, se estudian los efectos que la radiación produce en los dispositivos fabricados en esta tecnología y se aprovechan esos efectos para implementar un sensor de dosis e identificar mecanismos de daño a sensores de imagen. En este sentido, el efecto de degradación por dosis total se utiliza para determinar la dosis absorbida con transistores MOS fabricados en un proceso de tipo Fully-Depleted SOI (FD-SOI). En este punto se realiza el primer aporte de la tesis al estado del arte: se presenta un circuito formado por un par de transistores FD-SOI complementarios cuya salida es proporcional a la dosis absorbida y que, además, cuenta con compensación ante variaciones de temperatura. Se realiza una descripción del funcionamiento del circuito y una caracterización del mismo utilizando para ello fotones de rayos X de alta energa. A continuación, se estudia el uso de sensores de imagen CMOS comerciales para la adquisición de imágenes radiográficas mediante la técnica de detección directa. Se muestra la capacidad de adquirir imágenes radiográficas de distintos objetos y, luego, se realiza un análisis de los factores que intervienen en la eficiencia y resolución de la técnica, demostrando que existe una relación de compromiso entre ambas. Por otro lado, aprovechando la capacidad de este tipo de sensores de detectar y clasificar partículas, se implementa un prototipo en base al cual es posible identificar partículas provenientes de la cadena de decaimiento del gas radón. Otra aplicación de los sensores de imagen CMOS es la adquisición de imágenes radiográficas de neutrones térmicos mediante la utilización de capas de conversión neutrónicas. El aporte de este trabajo en la materia es demostrar que, en los circuitos integrados que usan BoroPhosphoSilicate Glass (BPSG), los neutrones térmicos producen daño por desplazamiento en el arreglo de píxeles y que, para evitarlo, se deben utilizar tecnologías mas modernas donde no se utilice boro en el proceso de fabricación. Finalmente, se presenta el diseño de un circuito integrado de aplicación específica para la detección de partículas ionizantes. Se trata de un detector pixelado de tipo monolítico, fabricado en un proceso SOI, que tiene las junturas sensibles a radiación construidas debajo del oxido enterrado y la electrónica de procesamiento en el lm de silicio superior. Se realizo una primera caracterización del detector con rayos X de baja energía mediante la fluorescencia de varios materiales. Se obtuvo el espectro de altura de pulsos, se realizo una calibración en energía de su respuesta y se midió el ruido electrónico. Gracias a sus características, el detector podrá ser utilizado para la obtención de imágenes radiográficas agregando resolución en energía

Soft X-rays spectroscopy with a commercial CMOS image sensor at room temperature

Besides their application in point and shoot cameras, webcams, and cell phones, it has been shown that CMOS image sensors (CIS) can be used for dosimetry, X-ray and neutron imaging applications. In this work we will discuss the application of an ON Semiconductor MT9M001 CIS, in low energy X-ray spectroscopy. The device is a monochromatic front-side illuminated sensor, very popular in consumer electronics. In this work we introduce the configuration selected for the mentioned sensor, the image processing techniques and event selection criteria, implemented in order to measure the X-ray energy in the range from 1-10 keV. Several fluorescence lines of different samples have been resolved, and for first time the line resolution have been measured and analyzed. We achieved a FWHM of 232 eV at 6.4 keV, and we concluded that incomplete charge collection (ICC) of the charge produced by the X-ray contributes to the resolution, being this effect more important at higher X-ray energies. The results analyzed in this work indicate that the mentioned CIS are specially suitable for X-ray applications in which energy and spatial resolutions are simultaneously required.Fil: Sofo Haro, Miguel Francisco. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Alcalde Bessia, Fabricio Pablo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Pérez, Martín. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Blostein, Juan Jeronimo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Balmaceda, Darío Federico. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Gomez Berisso, Mariano. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Lipovetzky, José. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentin

A Sub-Electron-Noise Multi-Channel Cryogenic Skipper-CCD Readout ASIC

The \emph{MIDNA} application specific integrated circuit (ASIC) is a skipper-CCD readout chip fabricated in a 65 nm LP-CMOS process that is capable of working at cryogenic temperatures. The chip integrates four front-end channels that process the skipper-CCD signal and performs differential averaging using a dual slope integration (DSI) circuit. Each readout channel contains a pre-amplifier, a DC restorer, and a dual-slope integrator with chopping capability. The integrator chopping is a key system design element in order to mitigate the effect of low-frequency noise produced by the integrator itself, and it is not often required with standard CCDs. Each channel consumes 4.5 mW of power, occupies 0.156 mm${^2}$ area and has an input referred noise of 2.7${\mu\nu}_{rms}$. It is demonstrated experimentally to achieve sub-electron noise when coupled with a skipper-CCD by means of averaging samples of each pixel. Sub-electron noise is shown in three different acquisition approaches. The signal range is 6000 electrons. The readout system achieves 0.2${e^{-}}$ RMS by averaging 1000 samples with MIDNA both at room temperature and at 180 Kelvin

Skipper-CCD Sensors for the Oscura Experiment: Requirements and Preliminary Tests

Oscura is a proposed multi-kg skipper-CCD experiment designed for a dark matter (DM) direct detection search that will reach unprecedented sensitivity to sub-GeV DM-electron interactions with its 10 kg detector array. Oscura is planning to operate at SNOLAB with 2070 m overburden, and aims to reach a background goal of less than one event in each electron bin in the 2-10 electron ionization-signal region for the full 30 kg-year exposure, with a radiation background rate of 0.01 dru. In order to achieve this goal, Oscura must address each potential source of background events, including instrumental backgrounds. In this work, we discuss the main instrumental background sources and the strategy to control them, establishing a set of constraints on the sensors' performance parameters. We present results from the tests of the first fabricated Oscura prototype sensors, evaluate their performance in the context of the established constraints and estimate the Oscura instrumental background based on these results

Early Science with the Oscura Integration Test

Oscura is a planned light-dark matter search experiment using Skipper-CCDs with a total active mass of 10 kg. As part of the detector development, the collaboration plans to build the Oscura Integration Test (OIT), an engineering test experiment with 10% of the Oscura's total mass. Here we discuss the early science opportunities with the OIT to search for millicharged particles (mCPs) using the NuMI beam at Fermilab. mCPs would be produced at low energies through photon-mediated processes from decays of scalar, pseudoscalar, and vector mesons, or direct Drell-Yan productions. Estimates show that the OIT would be a world-leading probe for low-mass mCPs.Comment: 21 pages, 13 figure

X-ray characterization of BUSARD chip: A HV-SOI monolithic particle detector with pixel sensors under the buried oxide

This work presents the design of BUSARD, an application specific integrated circuit (ASIC) for the detection of ionizing particles. The ASIC is a monolithic active pixel sensor which has been fabricated in a High-Voltage Silicon-On-Insulator (HV-SOI) process that allows the fabrication of a buried N+ diffusion below the Buried OXide (BOX) as a standard processing step. The first version of the chip, BUSARD-A, takes advantage of this buried diffusion as an ionizing particle sensor. It includes a small array of 13 × 13 pixels, with a pitch of 80 μm, and each pixel has one buried diffusion with a charge amplifier, discriminator with offset tuning and digital processing. The detector has several operation modes including particle counting and Time-over-Threshold (ToT). An initial X-ray characterization of the detector was carried out, obtaining several pulse height and ToT spectra, which then were used to perform the energy calibration of the device. The Molybdenum K emission was measured with a standard deviation of 127 e− of ENC by using the analog pulse output, and with 276 e− of ENC by using the ToT digital output. The resolution in ToT mode is dominated by the pixel-to-pixel variation.Fil: Alcalde Bessia, Fabricio Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Lipovetzky, José. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Peric, I.. Karlsruher Institut Für Technology.; Alemani

Ultra Low Power Ionizing Dose Sensor Based on Complementary Fully Depleted MOS Transistors for Radiotherapy Application

We evaluate the use of the thick buried oxide (BOX) of Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FD-SOI) transistors for Total Ionizing Dose (TID) measurements in a radiotherapy application. The devices were fabricated with a custom process in Université Catholique de Louvain (UCL) which allows to make accumulation mode PMOS transistors and inversion mode NMOS transistors. We characterized the temperature behavior of these devices and the response under X-ray radiation produced by an Elekta radiotherapy linear accelerator, and compared the obtained dose sensitivity to other published works. Taking advantage of these devices, an ultra low power MOS ionizing dose sensor, or MOS dosimeter, with inherent temperature compensation is presented. This dosimeter achieved a sensitivity of 154 mV/Gy with a temperature error factor of 13 mGy/°C and a current consumption below 1 nA

Particle detection and classification using commercial off the shelf CMOS image sensors

In this paper we analyse the response of two different Commercial Off The shelf CMOS image sensors as particle detectors. Sensors were irradiated using X-ray photons, gamma photons, beta particles and alpha particles from diverse sources. The amount of charge produced by different particles, and the size of the spot registered on the sensor are compared, and analysed by an algorithm to classify them. For a known incident energy spectrum, the employed sensors provide a dose resolution lower than microGray, showing their potentials in radioprotection, area monitoring, or medical applications.Fil: Pérez, Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Lipovetzky, José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Sofo Haro, Miguel Francisco. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Sidelnik, Iván Pedro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Blostein, Juan Jeronimo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Alcalde Bessia, Fabricio Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Gomez Berisso, Mariano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentin

A Sub-Electron-Noise Multi-Channel Cryogenic Skipper-CCD Readout ASIC

The MIDNA application specific integrated circuit (ASIC) is a skipper-CCD readout chip fabricated in a 65nm LP-CMOS process that is capable of working at cryogenic temperatures. The chip integrates four front-end channels that process the skipper-CCD signal and performs differential averaging using a dual slope integration (DSI) circuit. Each readout channel contains a pre-amplifier, a DC restorer, and a dual-slope integrator with chopping capability. The integrator chopping is a key system design element in order to mitigate the effect of low-frequency noise produced by the integrator itself, and it is not often required with standard CCDs. Each channel consumes 4.5 mW of power, occupies 0.156 mm 2 area and has an input referred noise of 2.7 μ Vrms. It is demonstrated experimentally to achieve sub-electron noise when coupled with a skipper-CCD by means of averaging samples of each pixel. Sub-electron noise is shown in three different acquisition approaches. The signal range is 6000 electrons. The readout system achieves 0.2 e- RMS by averaging 1000 samples with MIDNA both at room temperature and at 180Kelvin.Fil: Alcalde Bessia, Fabricio Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: England, Troy. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Sun, Hongzhi. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Stefanazzi, Leandro. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Braga, Davide. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Sofo Haro, Miguel Francisco. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Li, Shaorui. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Estrada, Juan. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Fahim, Farah. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unido

Evaluation of a Commercial Off The Shelf CMOS Image Sensor for X-ray spectroscopy up to 24.9 keV

We studied the X-ray spectroscopy capability and the detection efficiency of a low cost Commercial Off The Shelf CMOS Image Sensor (CIS) in the energy range from 6.4 to 24.9 keV using the fluorescence spectra emitted by FeNi, Cu, Zr, Pb, and Ag. The obtained results are compared with that obtained using a Silicon Drift Detector (SDD). We conclude that CIS is able to resolve fluorescence lines up to 17.7 keV but with a reduced detection efficiency. At lower energies, the energy resolution of the CIS is comparable to that obtained with the SDD. By the comparison of both detectors we also estimate the detection efficiency of the proposed method and the effective thickness of the CIS for all the measured X-ray lines. 2010 MSC: 00-01, 99-00.Fil: Pérez, Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Sofo Haro, Miguel Francisco. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Lipovetzky, José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; ArgentinaFil: Cicuttin, Andres. The Abdus Salam; ItaliaFil: Crespo, María Liz. The Abdus Salam; ItaliaFil: Alcalde Bessia, Fabricio Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: Gomez Berisso, Mariano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; ArgentinaFil: Blostein, Juan Jeronimo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentin