Novos Avanços em Imagem por Radiação com Sensores iLGAD

Detectores de imagem por radiação são ferramentas importantes em várias áreas, incluindo imagem médica e física de partículas. Este artigo fala sobre um tipo específico de detector chamado Inverse Low-Gain Avalanche Detector (iLGAD), que tem sido estudado para ver como ele se sai quando usado com um chip de leitura chamado Timepix3.

#O que é o Sensor iLGAD?

O sensor iLGAD é um design novo na família de detectores semicondutores. Diferente dos detectores tradicionais, ele usa uma estrutura especial que permite capturar sinais melhor, principalmente quando lidamos com entradas de energia menores, como raios-X. Esses sinais de baixa energia costumam ser difíceis de detectar.

O sensor iLGAD tem um design compacto que mede 2 cm² e possui um pitch bem pequeno (55 micrômetros). Ele foi criado por um esforço conjunto de várias universidades e empresas focadas em melhorar a captura de sinais de radiação.

#Como funciona?

A tecnologia por trás do iLGAD envolve criar um campo elétrico muito forte dentro do sensor. Esse campo ajuda a multiplicar o número de sinais que podemos medir. Quando a radiação atinge o sensor, isso provoca a formação de partículas carregadas pequenas, chamadas pares elétron-lacuna. O campo elétrico amplifica esses sinais para que possam ser lidos com precisão.

O sensor é construído para ser fino, cerca de 50 micrômetros, reduzindo o material que a radiação precisa passar para ser registrada. Essa escolha de design ajuda a melhorar o tempo e a precisão na medição de sinais de partículas de ionização mínima (MIPS), que são comuns em física de alta energia.

#Por que isso é importante?

O novo design é especialmente benéfico para experimentos realizados em instalações como o CERN, onde medições complexas são necessárias. Por exemplo, os experimentos ATLAS e CMS no CERN estão atualizando seus detectores para incluir a tecnologia iLGAD. Essa mudança vai melhorar a capacidade de separar sinais difíceis de detectar com mais precisão.

#Como o iLGAD foi testado?

Para entender quão bem o sensor iLGAD funciona, testes extensivos foram realizados em ambientes de laboratório e durante testes de feixe no CERN. Esses testes se concentraram em várias áreas-chave de desempenho.

#Testes em Laboratório

No laboratório, o sensor iLGAD foi conectado ao chip de leitura Timepix3. Primeiro, os cientistas checaram os pontos de operação do sensor fazendo uma série de testes de tensão. Esses testes ajudaram a determinar como o sensor responde à radiação que chega.

Eles também avaliaram os níveis de ruído no sistema para garantir que as leituras seriam precisas e confiáveis. O ruído eletrônico médio foi medido para entender o quanto a interferência poderia afetar os resultados.

Além disso, um pulso de teste foi injetado no sensor para calibrar sua resposta. Fazendo isso, os cientistas puderam simular vários níveis de energia sem precisar de fontes radioativas. Isso facilitou a medição de como o sensor reage a diferentes energias de entrada.

#Calibração de Energia de Raios-X

Após os testes iniciais de laboratório, o sensor foi submetido a raios-X de energias conhecidas. Essa etapa foi crucial para traduzir as leituras do sensor em valores de energia significativos. Usando vários materiais como titânio, ferro e cobre, os pesquisadores conseguiram criar sinais de energia específicos que o sensor deveria reconhecer.

A equipe analisou as respostas de pixel único para minimizar erros e garantir leituras precisas. Eles observaram como o sensor capturava sinais tanto da região com ganho quanto da região sem ganho, ajudando a confirmar que a camada de ganho melhorou significativamente a capacidade do sensor de detectar raios-X de baixa energia.

#Testes de Feixe

Depois dos testes de laboratório, o sensor foi testado com um feixe de pions, que é um tipo de feixe de partículas, no CERN. Esses testes foram essenciais para entender como o sensor se comporta em condições do mundo real.

Durante esses testes, os pesquisadores mediram as posições e os tempos das trilhas usando uma configuração com várias planícies de detectores Timepix3. Essa configuração permitiu que eles rastreassem com precisão os caminhos das partículas e avaliassem o desempenho do sensor sob diferentes condições.

#Coleta de Carga e Eficiência

Um foco chave durante os testes de feixe foi avaliar quão bem o sensor iLGAD coletou carga. Os resultados desses testes mostraram um desempenho excepcional. O sensor demonstrou mais de 99,94% de eficiência, significando que ele detectou quase todas as partículas que chegaram.

O design do sensor permitiu criar clusters maiores de sinais, o que é essencial para medir com precisão a radiação que chega. O aprimoramento na coleta de carga foi atribuído à camada de multiplicação única do sensor.

#Impacto no Desempenho de Tempo

Além de melhorar a coleta de sinais, o design do sensor iLGAD também teve um impacto positivo no desempenho de tempo. Ao avaliar a precisão do tempo, os pesquisadores descobriram que os pixels com a camada de ganho tinham um tempo melhor do que aqueles sem. Isso é crítico porque um tempo preciso pode melhorar significativamente nossa capacidade de interpretar os sinais capturados.

#Dependência Angular

Os pesquisadores também analisaram como o desempenho do sensor mudava quando o ângulo da radiação que chegava variava. Essa análise é importante porque ajuda a entender quão bem o sensor pode funcionar sob diferentes condições. O sensor mostrou uma boa concordância com os modelos de desempenho esperados, confirmando que ele funciona bem em ângulos variados.

#Conclusão

Os testes recentes no sensor iLGAD mostraram um desempenho geral excelente quando emparelhado com o chip de leitura Timepix3. As melhorias tanto na coleta de carga quanto no desempenho de tempo são promissoras para futuras aplicações, especialmente em experimentos de física de alta energia.

Os avanços nessa tecnologia proporcionam um grande passo à frente na capacidade de detectar sinais de baixa energia, o que será essencial para muitas descobertas futuras na física de partículas. O trabalho contínuo nessa tecnologia, incluindo o uso de sensores mais finos com capacidades de leitura melhoradas, provavelmente resultará em resultados ainda melhores.