Metodología combinada de simulación para una caracterización completa de los efectos de la radiación ionizante en dispositivos de detección

Abstract

Los dispositivos de detección de radiación ionizante han sido ampliamente utilizados en los últimos años en diversas aplicaciones y campos experimentales como son las áreas de la física de altas energías, física nuclear e imágenes médicas. La descripción de su funcionamiento y la caracterización por medio de modelos computacionales, como simulaciones, ante la radiación ionizante son necesarias para comprender las características que presentan en términos de eficiencia, resolución y relación señal-ruido, ya que permiten optimizar parámetros que luego se utilizarán para realizar diferentes desarrollos y avances en los mismos. Los abordajes de modelado computacional se llevan a cabo de forma rutinaria utilizando diversas herramientas, por ejemplo, para el estudio de la interacción de la radiación con el detector teniendo en cuenta los procesos físicos, se utilizan herramientas de tipo Monte Carlo como PENELOPE, FLUKA o GEANT4. Por otro lado, una vez provocada la afectación inicial del sensor, para el estudio del transporte de pares electrón/hueco generados a través del dispositivo y la posterior formación de señales electrónicas, se utilizan herramientas que resuelven las ecuaciones de transporte mediante el método de elementos finitos, (Tecnología de Diseño Asistido por Computadora o TCAD), desarrolladas para ayudar a la industria microelectrónica a crear sus productos. Usualmente, los dos conjuntos de herramientas no están integrados y la caracterización por modelado computacional se realiza dividiendo el problema en etapas sucesivas e independientes. En este contexto, el presente trabajo se propone desarrollar una metodología que permita combinar los dos enfoques mediante el cual pueda rastrearse paso a paso el flujo de simulación completo, desde la interacción de la radiación ionizante con el sensor hasta el transporte de la carga generada a los fotodiodos y, finalmente, a la generación de señales electrónicas.

Ionizing radiation detection devices have been widely used in recent years in various applications and experimental fields, such as high energy physics, nuclear physics, and medical imaging. Detailed description of their operational properties and their characterization by means of numerical modelling, as simulations, are key issue to understand the characteristics of radiation detectors in terms of efficiency, resolution and signal-to-noise ratio, since they allow optimizing parameters that will be further used. The modelling processes, as the simulations, are routinely carried out using various tools, like Monte Carlo approaches, for instance: PENELOPE, FLUKA or GEANT4 are used to study the interaction of the radiation with the detector accounting for the whole physical processes. However, transporting electron/hole pairs, as generated through the device sensor to conform the corresponding electronic signals uses tools badsed on the finite element method, such as TCAD (Technology Computer Aided Design), which are developed mainly to help the microelectronics industry to design products. Usually, modelling approaches for radiation transport and electonic signal production are not integrated, thus performing the simulation process by splitting the problem into sucessive independent phases. Within this framework, the present study proposes, implements, and reports on a novel methodology that allows combining the two approaches aimed at integrating the complete simulation, thus achieving a step-by-step integrated modelling flow to describe the interaction of ionizing radiation with the sensor along with the transport of the generated charge to the photodiodes and, finally, to the generation of electronic signals.