Nuove Avanzamenti nell’Imaging Radiologico con Sensori iLGAD

I rivelatori di immagini a radiazioni sono strumenti importanti in tanti campi, come l'imaging medico e la fisica delle particelle. Questo articolo parla di un tipo specifico di rivelatore chiamato Inverse Low-Gain Avalanche Detector (iLGAD), che è stato studiato per le sue prestazioni quando abbinato a un chip di lettura chiamato Timepix3.

#Che cos'è il sensore iLGAD?

Il sensore iLGAD è un nuovo design nella famiglia dei rivelatori a semiconduttore. A differenza dei rivelatori tradizionali, usa una struttura speciale che gli permette di catturare meglio i segnali, soprattutto quando si tratta di energie più basse, come i raggi X. Questi segnali a bassa energia sono spesso difficili da rilevare.

Il sensore iLGAD ha un design compatto che misura 2 cm² e presenta un pitch molto ridotto (55 micrometri). È stato creato grazie a uno sforzo collaborativo di diverse università e aziende che si concentrano su come migliorare la cattura dei segnali di radiazione.

#Come funziona?

La tecnologia dietro l'iLGAD prevede la creazione di un campo elettrico molto forte all'interno del sensore. Questo campo aiuta a moltiplicare il numero di segnali che possiamo misurare. Quando la radiazione colpisce il sensore, provoca la formazione di minuscole particelle cariche, chiamate coppie elettrone-vuoto. Il campo elettrico amplifica questi segnali in modo che possano essere letti con precisione.

Il sensore è progettato per essere sottile, circa 50 micrometri, riducendo il materiale che la radiazione deve attraversare per essere registrata. Questa scelta di design aiuta a migliorare il tempo e la precisione nella misurazione dei segnali da particelle a ionizzazione minima (MIPS), che sono comuni nella fisica ad alta energia.

#Perché è importante?

Il nuovo design è particolarmente vantaggioso per esperimenti condotti in strutture come il CERN, dove sono necessarie misurazioni complesse. Ad esempio, gli esperimenti ATLAS e CMS al CERN stanno aggiornando i loro rivelatori per includere la tecnologia iLGAD. Questo cambiamento migliorerà la capacità di distinguere segnali difficili da rilevare con maggiore precisione.

#Come è stato testato l'iLGAD?

Per capire quanto bene funzioni il sensore iLGAD, sono stati condotti test approfonditi in laboratorio e durante test di fascio al CERN. Questi test si sono concentrati su diverse aree chiave di prestazione.

#Test in laboratorio

In laboratorio, il sensore iLGAD è stato collegato al chip di lettura Timepix3. Per prima cosa, gli scienziati hanno controllato i punti operativi del sensore eseguendo una serie di test di tensione. Questi test hanno aiutato a determinare quanto bene il sensore rispondesse alla radiazione in arrivo.

Hanno anche valutato i livelli di rumore nel sistema per garantire che le letture fossero accurate e affidabili. Il rumore elettronico medio è stato misurato per capire quanto disturbo potesse influenzare i risultati.

Inoltre, un impulso di test è stato iniettato nel sensore per calibrare la sua risposta. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di simulare vari livelli di energia senza dover utilizzare fonti radioattive. Così è stato più facile misurare come il sensore reagisce a diverse energie in ingresso.

#Calibrazione dell'energia dei raggi X

Dopo i test iniziali in laboratorio, il sensore è stato sottoposto a raggi X di energie note. Questo passaggio era cruciale per tradurre le letture del sensore in valori energetici significativi. Utilizzando vari materiali come titanio, ferro e rame, i ricercatori sono stati in grado di creare segnali energetici specifici che il sensore doveva riconoscere.

Il team ha analizzato le risposte a pixel singoli per minimizzare gli errori e garantire letture accurate. Hanno controllato quanto bene il sensore rilevasse segnali sia nelle regioni di guadagno che in quelle senza guadagno, aiutando a confermare che lo strato di guadagno migliorava significativamente la capacità del sensore di rilevare raggi X a bassa energia.

#Test di fascio

Dopo i test in laboratorio, il sensore è stato testato con un fascio di pioni, che è un tipo di fascio di particelle, al CERN. Questi test erano essenziali per comprendere come si comporta il sensore in condizioni reali.

Durante questi test, i ricercatori hanno misurato le posizioni e i tempi delle tracce utilizzando un setup con più piani di rivelatore Timepix3. Questa configurazione ha permesso loro di tracciare con precisione i percorsi delle particelle e valutare le prestazioni del sensore in diverse condizioni.

#Raccolta di carica ed efficienza

Un punto focale durante i test di fascio è stato valutare quanto bene il sensore iLGAD raccogliesse carica. I risultati di questi test hanno mostrato prestazioni eccezionali. Il sensore ha dimostrato oltre il 99.94% di efficienza, il che significa che ha rilevato con successo quasi tutte le particelle in arrivo.

Il design del sensore gli ha permesso di creare cluster di segnali più grandi, essenziale per misurare accuratamente la radiazione in arrivo. Il miglioramento nella raccolta di carica è stato attribuito allo strato di moltiplicazione unico del sensore.

#Impatto sulle prestazioni temporali

Oltre a migliorare la raccolta dei segnali, il design del sensore iLGAD ha anche avuto un effetto positivo sulle prestazioni temporali. Valutando la precisione temporale, i ricercatori hanno scoperto che i pixel con lo strato di guadagno avevano tempistiche migliori rispetto a quelli senza. Questo è importante perché il tempo preciso può migliorare significativamente come interpretiamo i segnali catturati.

#Dipendenza angolare

I ricercatori hanno anche esaminato come le prestazioni del sensore variavano quando cambiava l'angolo della radiazione in arrivo. Questa analisi è importante perché aiuta a capire quanto bene il sensore possa funzionare in diverse condizioni. Il sensore ha mostrato una buona corrispondenza con i modelli di prestazione attesi, confermando che funziona bene in angoli variabili.

#Conclusione

I recenti test sul sensore iLGAD hanno mostrato prestazioni eccellenti quando abbinato al chip di lettura Timepix3. I miglioramenti sia nella raccolta di carica che nelle prestazioni temporali sono promettenti per le applicazioni future, specialmente negli esperimenti di fisica ad alta energia.

I progressi in questa tecnologia rappresentano un passo significativo avanti nella capacità di rilevare segnali a bassa energia, che saranno essenziali per molte scoperte future nella fisica delle particelle. Un lavoro continuo su questa tecnologia, incluso l'uso di sensori più sottili con capacità di lettura migliorate, probabilmente produrrà risultati ancora migliori.