Rivelatori a stato solido e applicazioni in campo

Rivelatori a stato solido e applicazioni in campo medico Elia Conti Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell’Informazione Università degli Studi di Perugia Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Perugia Seminario per il corso di Rivelatori di Particelle – A. A. 2011/2012

Outline • Esempi di rivelatori a stato solido – Pixel a integrazione di carica – Architetture di pixel a integrazione di carica – RAPS • Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica

Esempi di rivelatori a stato solido Interazione particelle - materia Particelle cariche: • Collisioni ➙ Bethe-Bloch, scattering multiplo • Radiazione emessa ➙ Radiazione di transizione, Cerenkov, Bremsstrahlung Fotoni: • Effetto fotoelettrico • Effetto Compton • Produzione di coppie

Esempi di rivelatori a stato solido Proprietà dei semiconduttori • I rivelatori a stato solido sfruttano la sensibilità dei semiconduttori alle radiazioni • Una radiazione ionizzante con energia maggiore di Eg trasmette agli elettroni un’energia sufficiente per farli passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione ➙ creazione di coppie elettrone-lacuna • In un semiconduttore intrinseco però queste coppie si ricombinano velocemente

Esempi di rivelatori a stato solido Fotodiodo • Inserendo specie droganti (As, P, Sb: donatori; Ga, B, In: accettori) si aumenta la concentrazione di cariche mobili all’interno di un semiconduttore • Unendo due cristalli di un semiconduttore con drogaggi opposti si ottiene una giunzione p-n (in realtà per ottenere una giunzione p-n non si uniscono i due pezzi di materiale, ma si utilizzano tecniche più sofisticate) • Per estendere la regione svuotata si applica una differenza di potenziale inversa alla giunzione ➙ FOTODIODO • Con il fotodiodo si ha una generazione di un numero di coppie elettrone-lacuna n approssimativamente pari a E: Energia della particella Eg: Energy gap del semiconduttore

Esempi di rivelatori a stato solido Radiazione e rivelatori allo stato solido Il Silicio (Si) può essere utilizzato come materiale sensibile virtualmente per tutte le radiazioni di lunghezza d’onda sufficientemente bassa.

Esempi di rivelatori a stato solido Radiazione e rivelatori allo stato solido Il silicio ha però dei forti concorrenti (semiconduttori e non) nella rivelazione di radiazioni con lunghezze d’onda sufficientemente elevate…

Esempi di rivelatori a stato solido Radiazione e rivelatori allo stato solido Sensori a stato solido a semiconduttore

Esempi di rivelatori a stato solido Radiazione e rivelatori allo stato solido Diodo P-I-N: si interpone uno strato di silicio intrinseco (non drogato) per allargare la regione svuotata

Esempi di rivelatori a stato solido Pixel • Una radiazione ionizzante determina la formazione, nella regione svuotata, di coppie elettrone-lacuna che si muovono sotto l’azione del campo elettrico • Si determina così una corrente lungo il fotodiodo (foto-corrente) • La rivelazione della foto-corrente permette quindi di rivelare la particella • Segmentazione spaziale del substrato di semiconduttore ➙ struttura planare a pixel • La foto-corrente, tuttavia, scarica il fotodiodo riducendo la regione svuotata e di conseguenza anche la sensibilità del rivelatore

Esempi di rivelatori a stato solido Pixel Due strategie per evitare la scarica del fotodiodo: i. Mantenere continuamente la stessa tensione inversa ai capi del fotodiodo: la misura della foto-corrente generata permette di risalire alla radiazione rivelata Applicazione: rivelatori a due (o più strati) strati, uno sensibile e l’altro con l’elettronica di front-end ii. Ricare periodicamente il il fotodiodo applicando tensione di polarizzazione inversa e lasciando, per un certo intervallo di tempo (tempo di integrazione), la differenza di potenziale libera di variare. La caduta di potenziale che verrà misurata sarà proporzionale all’integrale di carica generata dalla radiazione incidente. ➙ Modalità di integrazione di carica Applicazione: sensori di immagine commerciali (per la radiazione visibile)

Esempi di rivelatori a stato solido Pixel a integrazione di carica Principio di funzionamento Carica accumulata dal fotodiodo: Qcoll = Iphoto ∙ tint fotodiodo La carica è quindi tipicamente convertita in tensione per mezzo di un condensatore di capacità C, composta dalla capacità stessa del diodo e dai componenti parassiti afferenti (dispositivi, connessioni): V = Qcoll ∙ C • Nella modalità di funzionamento tipica, il diodo viene periodicamente ricato (resettato) ad una determinata tensione inversa, e quindi isolato. • Nel tempo, la corrente inversa del diodo, sia di buio (I dark) che fotogenerata (Iphoto) tende a scaricare la tensione del nodo di uscita V. • È possibile effettuare una semplice analisi della tensione V del catodo del fotodiodo in funzione del tempo, dopo che il diodo stesso è stato resettato. • In particolare, si può notare che in queste condizioni la corrente nel condensatore sarà uguale ed opposta alla foto-corrente: – – poiché il diodo è isolato; e se viene trascurata la corrente di buio.

Esempi di rivelatori a stato solido Passive Pixel Sensors (PPS) La metodologia di lettura della carica integrata si basa sulla misura della tensione ai capi di un resistore (necessario a resettare il pixel). • • L’interruttore S viene chiuso per resettare il pixel alla tensione inversa V • Durante il tempo di integrazione tint S è aperto, consentendo la scarica del fotodiodo ad un tasso approssimativamente proporzionale all’illuminazione incidente • Quando S viene chiuso nuovamente, la carica totale che scorre attraverso R per resettare il pixel è uguale alla carica persa durante il tempo di integrazione. Il segnale ai capi della resistenza R è una misura della tensione del fotodiodo dopo il tempo di integrazione.

Esempi di rivelatori a stato solido Passive Pixel Sensors (PPS) L’idea di base per integrare il singolo pixel in un array fu di utilizzare un unico resistore di carico in fondo alla colonna di pixel. out • Svantaggio: lungo tempo richiesto per resettare completamente il diodo attraverso il resistore R (si fa particolarmente sentire per array di grandi dimensioni) • I PPS sono praticamente attualmente in disuso, o limitati ad array di piccole dimensioni e bassa velocità di lettura

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) L’architettura di un APS è costituita dal fotodiodo e da un circuito di read-out basato su tre transistori (pixel 3 T) out

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) Principio di funzionamento (I) out • Il fotodiodo è connesso alla tensione di reset VRST (che fissa la sua polarizzazione inversa) attraverso il transistor Mrst. • Quando Mrst viene spento il catodo del fotodiodo rimane floating e la sua tensione può quindi variare. • Durante il tempo di integrazione, se non vi sono radiazioni, la tensione ai capi del fotodiodo decade lentamente per effetto della corrente di buio che lo scarica

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) Se però durante il tempo di integrazione il fotodiodo viene colpito da una radiazione, si ha un repentino abbassamento della tensione

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) Principio di funzionamento (II) • Al termine del tempo di integrazione, il segnale ai capi del fotodiodo viene trasferito al gate del transistor Msf che si trova nella configurazione sourcefollower • Questa configurazione è tale per cui non vengono introdotti ulteriori effetti di perdita che potrebbero scaricare la tensione ai capi del fotodiodo. • La lettura dell’uscita è abilitata dal transistor Msel che si comporta come un interruttore controllato dal segnale ROW SEL (configurazione pass-transistor) out

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) In un sensore a pixel attivi si possono trovare strutture di questo tipo a matrice rettangolare. La lettura di ciascun pixel avviene riga per riga abilitando tutti i transistor Msel della stessa riga e imponendo una corrente su ciascuna colonna. Alla fine di ciascuna colonna si può leggere la tensione del pixel corrispondente della riga selezionata. Il reset dei fotodiodi può essere distribuito riga per riga o può essere comune a tutti i pixel.

Esempi di rivelatori a stato solido Prestazioni dei rivelatori a stato solido Alcuni parametri: • Efficienza quantica η (<1): concentrazione effettiva di coppie e-h generata dai fotoni assorbiti • Full Well Capacity (FWC): massima carica immagazzinabile dal pixel ad una data • Fill factor: rapporto tra la superficie sensibile del pixel e la sua area complessiva • Range dinamico: rapporto tra il più grande segnale e il più piccolo segnale generabile tensione di polarizzazione inversa dal sensore Superficie sensibile

Esempi di rivelatori a stato solido Active Pixel Sensors (APS) Vantaggi: • Integrazione su uno stesso substrato di silicio dell’elemento sensibile e dell’elettronica di read-out di front-end • Utilizzo della tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ampiamente diffusa in ambito commerciale, che adotta un flusso di progetto strutturato e consolidato ➙ costi di realizzazione ridotti • Ridotto consumo di potenza Svantaggi: • Fill factor < 1 ➙ FWC ed efficienza quantica inferiori • Range dinamico ridotto dalla tensione di soglia dei transistor del pixel

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS: Radiation Active Pixel Sensors Collaborazione tra Università degli Studi di Perugia, INFN sezione di Perugia e Università degli Studi di Parma Sviluppo di sistemi e dispositivi per la rivelazione di radiazioni e particelle ionizzanti per esperimenti di fisica delle alte energie RAPS 01 (0. 18µm) RAPS 02 (0. 18µm) RAPS 03 (0. 18µm) RAPS 06 (90 nm) Nel corso degli anni sono state realizzate diverse versioni di questi sensori, caratterizzati da matrici di diverse migliaia di pixel con pitch 10 μm

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS: Radiation Active Pixel Sensors Caratterizzazione dei sensori RAPS presso l’INFN di Perugia (dott. Leonello Servoli) • Setup di test • Caratterizzazione: verificare la risposta del sensore a delle stimolazioni a profondità controllata • Il setup è stato utilizzato con flussi di particelle di diversa natura ed energia – LNF (Frascati) – CERN (Ginevra) – LNS (Catania) • Il setup può essere anche integrato nel banco ottico presente presso il Laboratorio Semiconduttori, in modo da poter testare i sensori con diverse sorgenti laser.

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS 06 • Sensore: matrice 128 x 128 pixel • La lettura della matrice è governata da una logica digitale di controllo e avviene attraverso una scansione sequenziale, dal pixel in basso a sx a quello in alto a dx • La logica digitale di controllo prevede 2 modalità di funzionamento: – scansione singola – automatica

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS 06 – Logica di controllo • Per abilitare volta per volta ciascun pixel di una riga/colonna si utilizza un contatore, che viene incrementato in modo sincrono a un segnale di clock. • Il valore in uscita al contatore viene utilizzato dai decoder di riga e colonna per decidere quale riga e colonna abilitare ➙ viene deciso il pixel che deve essere letto in quel determinato istante

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS 06 – Circuiti analogici • I circuiti analogici vengono utilizzati per accendere/spegnere i tre transistor di ciascun pixel • L’uscita di ciascun pixel viene selezionata tramite un multiplexer analogico • A valle del multiplexer c’è un buffer analogico di uscita • Un buffer, in generale, è un amplificatore con la funzione di riprodurre un segnale in tensione pari a quello in ingresso, ed è caratterizzato da elevata impedenza di ingresso, bassa impedenza di uscita, elevato slew rate (massima derivata temporale del segnale in uscita); in questo modo si evita che circuiti a valle possano alterare il segnale • Nel chip è anche presente una copia del buffer poterlo testare a parte

Esempi di rivelatori a stato solido RAPS 06 – Setup di test È poi nel setup di test che avvengono la digitalizzazione e l’acquisizione del segnale in uscita al sensore.

Outline • Esempi di rivelatori a stato solido • Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica – Elementi di radioprotezione – Dosimetria individuale – RAPID

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica (RI) • La Radiologia Interventistica è una branca specialistica della Radiologia che comprende tutte quelle procedure diagnostiche e terapeutiche eseguite senza bisogno di accesso chirurgico ai distretti corporei su cui si opera • Queste procedure vengono svolte per via percutanea: gli strumenti vengono guidati dalle immagini fornite dalle macchine radiologiche • Le procedure di Radiologia Interventistica si vanno sempre più diffondendo ed affermando nella pratica clinica in alternativa alle tecniche chirurgiche • L’angiografia è l’esame radiologico in grado di evidenziare i vasi sanguigni dei diversi distretti corporei al fine di studiarne morfologia ed eventuali alterazioni. • Il principale svantaggio nelle procedure di RI sta nell’elevata esposizione, da parte del paziente e dell'operatore, ai raggi X • In particolare, gli operatori si trovano a distanze ridotte dal paziente, ed operano con prolungati tempi di esposizione e spesso in assenza di adeguate schermature (guanti X, schermi mobili, ecc. )

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione • Quando il materiale attraversato da una radiazione ionizzante è un tessuto biologico, l’alterazione della struttura elettronica di atomi e molecole corrisponde ad una alterazione della sua funzionalità. • Sono state identificate delle grandezze fisiche per correlare le caratteristiche delle radiazionizzanti ai danni biologici • Le definizioni esatte di tali grandezze sono in continua evoluzione e gli organismi internazionali a cui fare riferimento sono – ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements) – ICRP (International Commission on Radiological Protection) – NCRP (U. S. National Commission on Radiation Protection)

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione Grandezze più significative: 1. Dose assorbita: energia assorbita per unità di massa ρ: densità (kg/m 3) d. W/d. V: energia per unità di volume (J/m 3) Unità di misura: Gray (1 Gy = 1 J/kg) 2. Dose equivalente: questa grandezza pondera la dose assorbita sul tipo di radiazione incidente. Infatti, in termini di danni biologici, uno stesso tessuto risponde in modo differente a seconda del tipo di radiazione incidente, a parità di dose assorbita. wr: fattore adimensionale che tiene conto della diversa pericolosità dei vari tipi di radiazione Unità di misura: Sievert (Sv) 1 Sv a differenza di 1 Gy produce gli stessi effetti biologici indipendentemente dal tipo di radiazione considerata.

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione Esempi di valori del fattore wr:

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione Grandezze più significative: 3. Dose efficace equivalente: questa grandezza pondera la dose equivalente sul tipo di tessuto investito wt: pesi che tengono conto della diversa radiosensibilità dei tessuti irraggiati Unità di misura: Sievert (Sv) Esempi di valori di wt

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione Per farsi un’idea dei più comuni valori di dose equivalente… • La dose equivalente tipicamente assorbita da una persona è di ~3 m. Sv/anno(sommando i contributi di radiazione cosmica, radiazione della Terra, assunzione di isotopi radioattivi per inalazione o ingestione, esposizione a radiazioni causate dalle attività umane) • Il valore di dose equivalente su tutto il corpo umano letale è di 4 Sv • Limiti massimi di esposizione fissati dalla normativa: (50% della mortalità entro 30 giorni senza trattamento medico) Decreti Legislativi 230/95 “Attuazione delle direttive 89/618/Euratom, 90/641/Euratom, 92/3/Euratom e 96/29/Euratom in materia di radiazionizzanti” e 187/00 “Attuazione della direttiva 97/43/EURATOM in materia di protezione sanitaria delle persone contro i pericoli delle radiazionizzanti connesse ad esposizioni mediche ” e successive modifiche ed integrazioni

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Elementi di Radioprotezione • Il monitoraggio individuale riveste un importante ruolo nella radioprotezione degli operatori poiché consente di programmare opportunamente le esposizioni per mantenere la dose ricevuta da ciascun lavoratore quanto più bassa possibile e comunque al di sotto dei limiti stabiliti dalle normative vigenti • La valutazione della dose ricevuta dai lavoratori viene spesso effettuata mediante dosimetri individuali • Dispositivi certificati: dosimetri passivi – Dosimetri a termoluminescenza (TLD) – Dosimetri a film • Range energetico: 10 – 3000 ke. V

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Thermoluminescence Dosimeters (TLD) • I TLD sono costituiti da cristalli (solitamente Ca. F 2 o Li. F) con all’interno una certa percentuale di impurità • Quando una radiazione investe il cristallo, essa porta alcuni elettroni in uno stato eccitato in cui restano intrappolati a causa delle impurità presenti. • Quando, in fase di lettura, il cristallo viene scaldato (~400°C), questi elettroni tornano a livelli energetici più bassi, emettendo nella transizione un fotone, la cui frequenza dipende dal salto energetico effettuato ed è quindi legata all’energia della radiazione che aveva eccitato l’elettrone • I TLD effettuano misure non in tempo reale: i tempi di risposta sono lunghi (qualche giorno) visto che le fasi di misura e di lettura del dispositivo sono separate e spesso affidate a servizi sanitari differenti. • Inoltre i TLD forniscono una misura di dose integrale, non permettono quindi di ottimizzare istante per istante l'esposizione nelle procedure, e, poiché la periodicità di sostituzione è mensile, si perde l'informazione sull'esposizione nei singoli interventi.

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Active Personal Dosimeters (APD) • Sono poi disponibili in commercio dei dosimetri attivi che sfruttano tecnologie a semiconduttore e che permettono una valutazione in tempo reale della dose assorbita (alcuni permettono anche di settare un allarme a un certo livello di dose) • Unfors EDD-30, Philips Dose. Aware, Dosilab EDM-III, Thermo Scientific EPD-Mk 2+, ecc. • Questi dispositivi però non hanno le stesse prestazioni dei dosimetri passivi con il tipo di raggi X usati durante le procedure (caratterizzati prevalentemente da basse energie e campi pulsati) – È stato dimostrato che la loro risposta è più scarsa rispetto a quella dei TLD – L’energy range in cui lavorano ha un limite inferiore maggiore di quello dei TLD (14 – 48 ke. V vs. 10 ke. V)

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica RAPID: Radiation Active Pixel Dosimetry Collaborazione tra Università degli Studi di Perugia, INFN sezione di Perugia, ASL 3 Umbria – Foligno e ASL 1 Umbria – Città di Castello Sviluppo di un nuovo approccio per effettuare il monitoraggio degli operatori attraverso l’uso di rivelatori a matrice di pixel attivi (APS) Progetto di un sistema di dosimetria con due obiettivi principali: 1. Effettuare un monitoraggio in tempo reale della dose assorbita dagli operatori 2. Creare un archivio remoto delle dosi assorbite da ciascun operatore per ottimizzare la pianificazione delle procedure e ridurre le code Il dispositivo che si vuole realizzare deve pertanto rispondere ai seguenti requisiti: • • Portatile (wireless) Indossabile (braccialetto, fascia) Sensibile ai raggi X usati nelle procedure di RI (almeno dai 5 ke. V in su) Misura della dose accurata (10%)

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica Architettura del sistema RAPID Stray radiation in µSv per Gy∙cm 2 ADC Elaborazione digitale Unità di controllo Sensore Interfaccia Wireless PC remoto

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica RAPID – Lavori in corso… • • • Caratterizzazione di sensori di immagine CMOS commerciali e valutazione delle loro prestazioni come rivelatori di raggi X (INFN, dott. Leonello Servoli) Sessioni di misura presso le camere operatorie degli ospedali di Foligno e Branca con fantoccio in PMMA e fantoccio antropomorfo simulando vari tipi di procedure di RI Studio della correlazione tra risultati di misura e grandezze dosimetriche Pixel Signal (ADC counts) Ro w Co or din ate ordin n Co m lu Co

Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica RAPID – Lavori in corso… • Sviluppo di un prototipo indossabile (DIEI)

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