Caracterización de la respuesta del espectrómetro Amptek XR-100-CdTe mediante simulación Monte Carlo con el código Penélope

Abstract

En los últimos años, el estudio de la espectrometría de rayos X ha logrado avances significativos en diversas áreas de la ciencia, lo que ha permitido masificar la utilización de la radiación ionizante en muchas aplicaciones de la tecnología moderna. Un sistema típico de espectrometría de rayos X consiste en un conjunto integrado de dispositivos capaces de convertir la radiación incidente en una señal eléctrica detectable. Resumidamente, los componentes principales incluyen: el volumen sensible (detector), el dispositivo de procesamiento de pulsos (multicanal), y el software asociado. El telurio de cadmio se ha introducido como un material semiconductor adecuado para el volumen sensible, ya que presenta una mayor eficiencia en comparación con los diodos de silicio. En este contexto, el espectrómetro Amptek XR100T-CdTe ha ganado amplias aplicaciones durante los últimos años, principalmente debido al desempeño reportado por el fabricante asegurando alta eficiencia hasta 100 keV, junto a la alta tasa de conteo que es capaz de resolver. El presente trabajo analiza, mediante simulaciones Monte Carlo, la respuesta del detector Amptek XR-100T-CdTe teniendo en cuenta, individualmente, la contribución de los diferentes componentes del espectrómetro a la señal de respuesta. Para ello, las propiedades geométricas y de composición elemental de los diferentes componentes se han incluido cuidadosamente en la configuración de la simulación. Implementando una metodología basada en kernels, se obtuvo la respuesta del detector a haces de rayos X mono-energéticos estrechos con energía dentro de [5-1000] keV, discriminando la contribución relativa de los diferentes componentes del espectrómetro. Finalmente, los resultados de la simulación se compararon con la curva de eficiencia reportada por el fabricante, mostrando una buena concordancia para el volumen sensible a CdTe y la ventana de vacío.

In recent years, the study of X-ray spectrometry has promoted significant advances in various scientific areas, thus increasing the implementation of ionizing radiation in many applications of modern technology. Typical X-ray spec-trometry systems consist of a set of devices that allow this radiation to be converted into a detectable electrical signal. The main spectrometer components include: The sensitive volume (detector), the multichannel pulse processing device, and the associated software. Cadmium telluride (CdTe) has been introduced as a suitable bulk-sensing semiconductor material that reports higher efficiency compared to silicon diodes. Then, the Amptek XR-100T-CdTe spectrometer, has gained wide applications during the last years, mainly due to its performance achieving high eficiency up to 100 keV. The present work reports on the characterization of detector response for the Amptek XR using Monte Carlo simulations, while separately accounting for the contribution of the different spectrometer components. To this aim, the geometry along with the elemental composition properties of the different components have been carefully included in the simulation setup. A kernel based approach has been implemented to study the response of the detector using narrow monoenergetic X-ray beams having incident kinetic energy within [5-1000] keV, and discriminating the relative contribution for each kernel attributable to the different spectrometer components. Finally, the simulation results have been compared with the eficiency curve reported by the manufacturer, showing good agreement with the kernel based approach characterization when the CdTe sensitive volume along with the Be vacuum window are taken into account.