detector de fibras de centelleo y ccd para im´agenes a

Detector de Fibras de Centelleo y CCD para

Imagenes a Bajas Energıas en Tiempo Real

Por: Rodrigo Gomez

Asesor: Dr. Carlos AvilaUniversidad de los Andes

Mayo 22 de 2006

Indice general

1. Descripcion teorica de las partes 61.1. Fibras de centelleo (SciFi’s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1. Principios Opticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.2. Centelleadores Organicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.3. Centelleadores Inorganicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2. Intensificadores de imagen (II’s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.1. Aspectos generales y descripcion de las partes . . . . . . . 111.2.2. Tipos de II’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3. Charge Coupled Devices (CCD’s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.1. Condensadores de metal oxido (MOS) . . . . . . . . . . . 141.3.2. Arquitectura esencial de un CCD . . . . . . . . . . . . . . 151.3.3. Eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.4. Tipos de CCD’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2. El detector: componentes y proceso de montaje 182.1. Diseno del montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2. Funcionamiento del CCD e interfase para computador . . . . . . 202.3. Acople y funcionamiento de los II’s con el CCD . . . . . . . . . . 202.4. Arreglo de las fibras de centelleo y acople optico . . . . . . . . . 212.5. Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6.1. Fuentes radioactivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6.2. Fibras de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6.3. Intensificadores de imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6.4. Camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6.5. Interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.6.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3. Imagenes obtenidas 293.1. Imagenes obtenidas usando Am 241 . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2. Imagenes obtenidas usando Ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3. Imagenes obtenidas usando rayos x de 30keV . . . . . . . . . . . 32

1

4. Analisis de datos y resultados 344.1. Luz roja de baja intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2. Am 241 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2.1. Incidencia directa de radiacion sobre el manojo de fibrasde centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2.2. Incidencia de radiacion sobre el cilindro de silicona acopla-do al detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3. Ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3.1. Incidencia directa de radiacion sobre el manojo de fibras

de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3.2. Incidencia de radiacion sobre el cilindro de silicona acopla-

do al detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3.3. Grafica de (senal-ruido)/ruido . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.4. Rayos x de 30keV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.1. Incidencia directa de radiacion sobre el manojo de fibras

de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.2. Incidencia de radiacion sobre el cilindro de silicona acopla-

do al detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5. Conclusiones y perspectivas 42

2

Indice de figuras

1.1. Energıa emitida en funcion de la energıa incidente comparada conla teorıa (tomado de [3], pag. 225) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2. Esquema de un intensificador de imagen de segunda generacion . 121.3. Trayectorias de los electrones seguidas en un canal de un MCP . 131.4. Intensificador de imagen de proximidad . . . . . . . . . . . . . . 141.5. Esquema basico de un condensador MOS. (tomado de [12]) . . . 151.6. Arreglo teorico de un CCD (tomado de [13]) . . . . . . . . . . . . 17

2.1. Esquema del detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2. Imagen de un LED tomada con el CCD . . . . . . . . . . . . . . 202.3. Imagen de luz guiada por fibra optica y amplificada por los in-

tensificadores de imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4. Espectro de absorcion del poliestireno. El eje vertical indica la

transmitancia y las flechas rojas los picos de absorcion[16]. . . . . 232.5. Ganancia de los II’s (como se usaron en el montaje) en funcion

del voltaje de los anodos con el MCP a 700V[17]. . . . . . . . . . 242.6. Ganancia de los II’s (como se usaron en el montaje) en funcion

del voltaje de los MCP’s con los anodos a 5kV[17]. . . . . . . . . 242.7. Respuesta espectral del fotocatodo del tipo de un II utilizado en

el montaje en funcion de la longitud de onda. Datos del fabricante. 252.8. Respuesta relativa en funcion de la longitud de onda del CCD

utilizado. Datos dados por el fabricante. . . . . . . . . . . . . . . 262.9. El detector: manojo de fibras de centelleo, intensificadores de im-

agen y CCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1. Imagen obtenida usando radiacion de Am 247 sobre el manojo defibras de centelleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2. Imagen obtenida usando radiacion de Am 247 sobre el cilindrode silicona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3. Imagen obtenida usando radiacion de Ra incidiendo sobre el mano-jo de fibras de centelleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4. Imagen obtenida usando radiacion de Ra incidiendo sobre el cilin-dro de silicona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5. Montaje experimental para las pruebas con rayos x. . . . . . . . 32

3

3.6. Imagen obtenida incidiendo rayos x sobre el manojo de fibras decentelleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.7. Imagen obtenida incidiendo rayos x sobre el cilindro de silicona. . 33

4.1. Intensidad de luz de la prueba con luz roja y fibra optica. . . . . 354.2. Intensidad de luz de la prueba con Am 241. . . . . . . . . . . . . 354.3. Intensidad de luz de la prueba con Am 241 con obstaculo de silicona. 364.4. Intensidad de luz de la prueba con Ra. . . . . . . . . . . . . . . . 374.5. Intensidad de luz de la prueba con Ra con obstaculo de silicona. 384.6. Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuente

de Ra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.7. Intensidad de luz con fuente de rayos x de 30keV. . . . . . . . . . 394.8. Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuente

de rayos x de 30keV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.9. Ruido obtenido para la imagen de la figura 3.6. Las graficas de

ruido para estas pruebas son de naturaleza similar a esta grafica,teniendo en cuenta que el ruido no es homogeneo sobre el CCD. . 40

4.10. Intensidad de luz con fuente de rayos x de 30keV con obstaculode silicona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.11. Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuentede rayos x de 30keV con obstaculo de silicona. . . . . . . . . . . . 41

4

Introduccion

A lo largo de los anos, los detectores de radiacion han tomado importanciacada vez mayor debido a sus multiples aplicaciones en medicina (obtencion deimagenes medicas) en biologıa (estudio de la forma de microorganismos) en in-genierıa de materiales (investigacion de la estructura cristalina de compuestos)etc. por nombrar solo unos ejemplos.

Existen varios tipos de detectores de radiacion: camaras de burbujas, camarasde chispas, detectores de silicio, detectores de centelleo y otros tantos mas que lacomunidad cientıfica ha venido desarrollando. La construccion de algunos de es-tos dispositivos es bastante costosa y complicada (como los de silicio) y, aunquesu desempeno puede llegar a ser muy bueno, su adquisicion en instituciones deinvestigacion y en centros de salud puede ser bastante limitada. Sin embargo,detectores cuyo funcionamiento se basa en material centelleador son mucho maseconomicos, aspecto de importancia considerable para compradores con bajopresupuesto interesados en adquirir algunos de estos equipos.

Nuestro detector (un detector de centelleo) consiste en un montaje usando unCCD (Charge Coupled Device), 2 II’s (Image intensifiers) y SciFi’s (scintillatingfibres), dispositivos donados por Fermilab.El objetivo es usar el montaje para ver en el computador (en tiempo real) laradiacion producida por Am 241, Ra y rayos x de 30keV, y, con los datos adquiri-dos, hacer un analisis cuantitativo de las imagenes. Estos objetivos se alcanzaronusando Ra y rayos x de 30keV, como se mostrara en este documento.

Capıtulo 1

Descripcion teorica de laspartes

1.1. Fibras de centelleo (SciFi’s)

Cuando un haz de radiacion incide sobre una fibra de centelleo, algunaspartıculas de este golpean una cierta cantidad de electrones, haciendo que estossalten a un nivel de energıa mas alto. Despues de un corto periodo de tiempo,estos electrones caeran a su estado original y como consecuencia emitiran fo-tones.

Existen varios tipos de fibras de centelleo. Las fibras step-index, que consistende un nucleo dopado de material centelleador cuyo diametro puede construirsedesde unos pocos micrometros hasta el orden de los milımetros y de un recubrim-iento de ındice de refraccion menor que el del nucleo, cuya funcion es hacer quela luz que pasa por la fibra no se salga, efecto que se consigue por refleccion in-terna total. Otro tipo de fibras consiste en capilares cuya envoltura (del orden delos micrometros) almacena lıquido centelleador. La eficiencia tıpica de las fibrasde centelleo esta entre el 5 y el 10% debido a que parte de la energıa emitidase disipa en forma de calor y en vibraciones de red. En el mercado se puedenencontrar fibras con secciones transversales circulares, cuadradas y hexagonales.

En esta seccion se describiran las propiedades fısicas y quımicas de estos dispos-itivos.

1.1.1. Principios Opticos

Una fibra de centelleo consiste de un nucleo dopado con material centelleador(ver siguiente seccion para mas detalles) de ındice de refraccion n1 rodeado deun material de ındice de refraccion n2 llamado recubriento. Dado que para quela luz no se salga de la fibra (es decir, que haya refleccion interna total) la

6

ecuacionn1sinθ1 = n2sinθ2 (1.1)

debe cumplir la condicion que θ2 = π/2, se tiene que

sinθ1 =n2

n1(1.2)

→ θ∗1 = sin−1(n2

n1

)(1.3)

con θ∗1 el angulo crıtico y n1 > n2.

La fibra atrapara una fraccion de luz centelleada f dentro del cono que barreel angulo crıtico θ∗1 , cuyo valor para rayos meridionales es

f = 1− n2

n1. (1.4)

Se define la apertura numerica NA, como la cantidad de luz que se puede con-ducir a lo largo de la fibra dado el angulo crıtico θ∗1 , cuya ecuacion se escribe[1]

NA = (n21 − n2

2)1/2 = nsinθ∗1 . (1.5)

La luz atrapada por refleccion interna total avanzara a traves de la fibra despuesde chocarse N veces con las paredes del nucleo hasta el final de la fibra, que enterminos de θ∗1 , L y d, N viene dado por

N = cotθ∗1L/d. (1.6)

Debido a la interaccion entre la luz que viaja dentro del nucleo y el materialdel que esta hecho, se producira una perdida de intensidad que depende delcoeficiente de refleccion total q, que en funcion de N sera

I = I0qN . (1.7)

Definiendo ΛR (unidades de longitud) como la cantidad que indica cuando auna longitud l, el numero I/I0 = e−l/ΛR es reducido a 1/e debido a refleccionesde luz, se encuentra que, aproximadamente [2]

ΛR =3

2(1− q)n1

NAd. (1.8)

7

Similarmente, perdidas de intensidad producidas por absorcion estaran carac-terizadas por ΛA (cuando IA/I0 = 1/e) y perdidas de intensidad por dispersion(scattering) estaran caracterizadas por ΛSC (cuando ISC/I0 = 1/e). Entonces,la longitud de atenuacion total de la fibra vendra dada por[5]

Λ−1 = Λ−1R + Λ−1

A + Λ−1SC . (1.9)

1.1.2. Centelleadores Organicos

Gran parte de este tipo de compuestos se basa en moleculas organicas queposeen una estructura π-electronica. Los niveles de energıa de una de dichasmoleculas consiste en un conjunto de estados singlete (con spin total 0) deno-tados S0, S1, S2... y de estados triplete (con spin total +1) denotados T1, T2,T3... Entonces, cuando una partıcula choca con un electron en el estado S00

1

este es excitado a un estado Sij (ij 6= 00, ij enteros positivos) segun el espectrode absorcion del material. Despues de un corto periodo de tiempo, el electroncaera a un estado de mas baja energıa y como consecuencia se emitira luz.La mayorıa de esta luz emitida nace de desexcitaciones desde el estado S10 y,tomando un modelo simple de este proceso, en un tiempo t la intensidad de luzsera

I(t) = I0e−t/τ (1.10)

donde τ es el tiempo de decaimiento. Valores tıpicos de τ para centelleadoresorganicos muestran que τ = 10−9s, lo que indica que el proceso sucede bastanterapido. Dado que por causa de inter-system crossing (el cambio del electron deun estado S a uno T ) la transicion de un estado T a uno de mas baja energıamuestran que τ = 10−3s, lo que produce emision de luz retardada[3]. Afortu-nadamente, la respuesta de muchos de los centelleadores organicos es lineal porincidencia de electrones por encima de 125KeV[3] mientras que para iones ypartıculas alfa la respuesta tiende a ser no-lineal.

Birks[4], argumenta esta linealidad de forma bastante aceptable. Definiendo dLdx

como la energıa lumınica emitida por unidad de longitud y dEdx como la energıa

perdida por la partıcula incidente, entonces, se propone que

dL

dx= S

dE

dx

(1 + kB

dE

dx

)−1

(1.11)

donde S es la eficiencia de centelleo, k y B son constantes de proporcionalidad(usadas para ajustar la teorıa con resultados experimentales) y donde el termi-no entre parentesis es alusivo a perdida de intensidad por efectos termicos yvibracionales. Sin embargo, para electrones de alta energıa dE/dx ≈ 0, lo quelleva a

dL

dx= S

dE

dx(1.12)

1En promedio, las moleculas de este tipo de materiales a temperatura ambiente estaran enel estado base debido a que las energıas termicas son alrededor de 0.025eV de espaciamientode estados aproximadamente.

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Figura 1.1: Energıa emitida en funcion de la energıa incidente comparada conla teorıa (tomado de [3], pag. 225)

dL

dE= S (1.13)

y sumando sobre la energıa

L =∫ E

0

dL

dEdE =

∫ E

0

SdE = SE. (1.14)

Por otro lado, para partıculas alfa dE/dx >> 0, por lo que (11) se convierte en

dL

dx=

S

kB. (1.15)

La figura 1.1 muestra datos experimentales, ilustrando el comportamiento linealcomparado con predicciones teoricas.2

Los centelleadores organicos mas comunes de tipo cristalino son el Antracenoy el Estilbeno, teniendo el primero la eficiencia de centelleo mas alta de los dos,

2El ajuste con 2 parametros se modela con una correccion cuadratica a la ecuacion (1.11),

tomando C como el segundo parametro: dLdx

= S dEdx

(1 + kB dE

dx+ C

(dEdx

)2)−1.

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sin embargo, el manejo de estos materiales es algo delicado debido a su fragilidady a la dificultad de construir fibras de tamanos grandes.

1.1.3. Centelleadores Inorganicos

Un centelleador inorganico se caracteriza por tener 3 regiones: la banda devalencia, la banda de conduccion y la banda prohibida[10].

Cuando una partıcula incide sobre un electron situado en la banda de valen-cia, este puede llegar a la banda de conduccion y un tiempo despues caer a unnivel de energıa menor. Desafortunadamente, los fotones emitidos por este tipode procesos poseen longitudes de onda fuera del rango visible (en la mayorıade los casos) motivo por el cual el material es dopado con un activador, cuyafuncion es crear lugares entre la region prohibida para que los electrones dela banda de valencia caigan allı. Ası, los fotones producidos podran tener, conmayor probabilidad, longitudes de onda en el espectro visible. Naturalmente,la eficiencia de centelleo no es 100 %, debido a efectos termicos, vibraciones dered y fotones producidos por luz incidente fuera del rango visible. De hecho, laeficiencia tıpica de centelleo no sobrepasa el 15 % aproximadamente[6].

Existe una gran variedad de centelleadores inorganicos cuyo uso depende delas propiedades intrınsecas de cada uno. A continuacion se describiran algunosde los mas utilizados, cuyas formulas quımicas son: NaI(Tl), CsI(Tl) y YAlO3

mas conocido como YAP.

El Na(Tl) es el centelleador con mas emision de luz conocido hasta elmomento y su principal aplicacion esta en la deteccion de rayos gama,sin embargo, el tiempo de decaimiento es de alrededor de los 0.2ms ymediciones han probado la existencia de fluorescencia con un tiempo dedecaimiento de 0.15s[7]. Fibras de centelleo hechas de este material mues-tran que al ser sometidas a varias temperaturas, el tiempo de decaimientovaria inversamente proporcional a esta: a T=25C, τ=250ns mientras quecon T=175C, τ=100ns.

El CsI(Tl) es un centelleador de gran interes debido a sus propiedadesfısicas (buena flexibilidad y buena resistencia a golpes y vibraciones) ya sus propiedades quımicas (el tiempo de decaimiento depende de la ra-diacion incidente). Su espectro de emision pico tiene longitud de ondalarga (alrededor de 550nm) y la eficiencia es maxima a -35C. Produce cer-ca de 65000 fotones/MeV a temperatura ambiente.

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El centelleador conocido como YAP (YAlO3) tiene uno de los tiemposde decaimiento mas cortos entre los centelleadores inorganicos (cerca de27ns) y una emision de luz del 50% de la que produce el NaI(Tl) aprox-imadamente. Es bastante util dado que es facil de construir y manejar, yla emision de luz secundaria solo adiciona un 10% de la emitida total.

Fabricantes como Bicron Corp.[14] producen centelleadores inorganicos.

1.2. Intensificadores de imagen (II’s)

Los intensificadores de imagen son dispositivos optoelectronicos disenadospara obtener una ganancia de fotones considerable a partir de una intensidadde luz muy baja (desde los 10µlux). Debido a la gran sensibilidad de estosdispositivos, sus aplicaciones han venido incrementando notablemente: visionnocturna, obtencion de imagenes medicas, astronomıa, etc.

La presente seccion describira la apariencia fısica de los II’s, los elementos quelos componen y los tipos de II’s que se pueden encontrar en el mercado.

1.2.1. Aspectos generales y descripcion de las partes

Un II es un tubo al vacıo con diametros entre los 2 y 3cm que se componede 3 partes: el fotocatodo (lugar donde llega la luz que queremos amplificar), elmicrochannel plate (MCP) y la pantalla fluorescente.

Cuando la luz incide en el fotocatodo se desprenden electrones por efecto fo-toelectrico. Estos electrones chocan con la estructura del MCP, multiplicandolossignificativamente (por produccion de electrones secundarios) que finalmente in-ciden sobre la pantalla fluorescente para producir fotones nuevamente (ver figura1.2).

El fotocatodo

El fotocatodo convierte una parte de los fotones incidentes en electrones,cantidad que se caracteriza por la eficiencia cuantica (QE) definida como

QE =ne

fi(1.16)

donde ne es el numero de electrones producidos y fi es el numero de fotonesincidentes.

Se usan distintos materiales para su construccion, entre estos K, Na y Cs. Sinembargo, el GaAs es el mas utilizado hasta el momento ya que la QE que poseees del 40% en gran parte del espectro visible y en el infrarojo cercano, lo queindica que la produccion de electrones debido a fotones con longitudes de onda

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Figura 1.2: Esquema de un intensificador de imagen de segunda generacion

entre los 470nm y los 870nm es considerable3. Estos electrones son entoncesatraıdos por una diferencia de potencial de 200V (tıpicamente), para hacerlosincidir sobre el MCP (ver figura 1.2).

El MCP

El MCP es un cilindro de unos 2cm de diametro y 0,5cm de grosor que constade millones de canales cuyo diametro varıa entre los 12µm hasta los 6µm. Sufuncion es producir electrones secundarios con los electrones provenientes delfotocatodo, multiplicandolos varios miles de veces. Estos canales estan dopa-dos generalmento con yoduro de cesio o yoduro de cobre, que son emisoressecundarios de electrones. Los electrones producidos son ahora atraıdos por unadiferencia de potencial entre los 600V y 1000V, para ser dirigidos a la pantallafluorescente (ver figura 1.3).

3Un factor importante en el desempeno del intensificador de imagen es el ruido produci-do por electrones generados termicamente en este componente (el fotocatodo) conocido co-moequivalent background illumination, el cual se puede reducir implementando un sistema derefrigeracion.

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Figura 1.3: Trayectorias de los electrones seguidas en un canal de un MCP

La pantalla fluorescente

La pantalla fluorescente convierte los electrones provenientes del MCP enfotones por efecto fotoelectrico inverso (despues de haber sido acelerados por unadiferencia de potencial entre los 5kV y 15kV) para ser detectados finalmente porCCD’s u otros detectores de luz. Esta pantalla esta hecha de P (fosforo) y otroselementos como oxidos de lantanio e ytrio, que emiten fotones con frecuenciascercanas al color verde[8].

1.2.2. Tipos de II’s

Intensificadores de imagen de primera generacion

Estos dispositivos aceleran los electrones provenientes del fotocatodo ya seamediante una sola diferencia de potencial entre este y la pantalla fluorescenteo por medio de un lente de electrones instalado entre el fotocatodo y la pan-talla fluorescente. Tambien se le conocen como intensificadores de imagen deproximidad Proximity Focus Image Intensifier e intensificadores de imagen deinversion Inverter Image Intensifier debido a la tecnologıa usada correspondi-ente. Fabricantes como Proxitronic[9] construyen este tipo de II’s.

Intensificadores de imagen de segunda generacion

Estos dispositivos poseen multiplicadores de electrones (MCP’s) a diferenciade los de primera generacion, lo cual permite obtener mucha mas intensidadde luz de salida y una mejor resolucion. Fabricantes como Photonis, Delf yRoper Scientific[15] los construyen.

Intensificadores de imagen de tercera generacion

La diferencia entre este tipo de dispositivos respecto a los de primera y segun-da generacion son los materiales con los que estan construidos sus componentes(que poseen mejor desempeno) y el tamano de los canales del MCP (que son delorden de los 6µm). Fabricantes como Roper Scientific los construye.

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Figura 1.4: Intensificador de imagen de proximidad

1.3. Charge Coupled Devices (CCD’s)

Los CCD’s charged coupled devices son dispositivos de transferencia de car-ga, cuyas aplicaciones desde su invencion en el ano 1969 por Boyle y Smith deBell Labs, han sido desde memorias para computador hasta el componenteprincipal de las camaras digitales.

En esta seccion se describiran los principios de operacion de estos dispositivos,se mencionaran algunos de sus tipos y, finalmente, se nombraran algunas de lasempresas que los producen en la actualidad.

1.3.1. Condensadores de metal oxido (MOS)

Los elementos basicos que forman un CCD son condensadores tipo MOSmetal-oxide semiconductor. Estos elementos se componen de 3 partes esenciales:una capa metalica, una capa de dioxido de silicio SiO2 y una capa de materialtipo p (lugar donde se forma una region de agotamiento). La figura 1.5 muestraun esquema de este condensador.

Si se le aplica un voltaje positivo permanente al metal (con respecto al ma-terial tipo p), el MOS creara una diferencia de potencial en esta superficie, lacual puede ser utilizada como una bodega de carga.

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Figura 1.5: Esquema basico de un condensador MOS. (tomado de [12])

Electrones pueden ser producidos por efectos termicos (por ejemplo, aplican-do el voltaje por un largo periodo de tiempo) y se pueden guardar en el pozo depotencial. Haciendo esto, podemos medir la carga maxima que se puede alma-cenar, donde el tiempo que toma alcanzar este objetivo se le denomina tiempode relajacion termica, parametro que depende de los materiales utilizados.Si en vez de aplicarle un voltaje permanente a la parte metalica se le aplica unpulso de voltaje (con un periodo adecuado para crear el pozo de potencial y noproducir electrones termicos 4) y podemos inyectar electrones de alguna man-era, serıa posible almacenarlos un tiempo antes de que los electrones termicossean apreciables.

1.3.2. Arquitectura esencial de un CCD

Un CCD es un arreglo de condensadores MOS en serie[12], cuyo esquema semuestra en la figura 1.6. Para polarizarlos, se les aplican 3 voltajes distintos5

denotados V1, V2 y V3 en 3 lıneas L1, L2 y L3 conectadas cada 3 columnasdenotadas G1, G2 y G3. Lo que se debe hacer es entonces aplicar estos pulsos devoltaje de manera organizada para crear y extinguir la altura del potencial decada pozo, objetivo que se logra si estos voltajes son manejados como 3 relojes.Si en un tiempo t1 se prende el voltaje en L1, tendremos pozos de potencialen las columnas G1. Si llenamos estos pozos con electrones, cuando apliquemosel voltaje V2 en L2 este se volvera mas ancho, repartiendo su carga en su vol-umen6 de manera uniforme. Si ahora se reduce V1 en un tiempo T3, la cargase movera como consecuencia de la disminucion de la altura del pozo anterior.Haciendo este proceso repetidamente, conseguiremos el transporte de carga y,

4Esto, como es natural, solo es posible idealmente5Ver al final de esta seccion variaciones de este numero de voltajes usados.6La carga en un pozo de potencial se podrıa entender de manera clasica como un fluido

dentro de un recipiente, por ejemplo, una piscina en reposo.

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construyendo un arreglo bidimensional de condensadores fotosensibles, obten-emos finalmente un CCD.Para conseguir que los pozos se acoplen (en un CCD real, no teorico) se necesi-tarıa que los electrodos (cables que transmiten el voltaje) estuvieran muy cerca,sin embargo, esto se puede conseguir mas facilmente en la practica si se reem-plaza la parte metalica por poli-Si, se recubre con SiO2 y los MOS se separancon Al, por ejemplo.

1.3.3. Eficiencia

Otro factor importante es la eficiencia de los CCD’s, que depende esencial-mente de los siguiente fenomenos:

No es posible transmitir el 100% de la carga inicial debido a defectos enla construccion del CCD e impurezas en los materiales usados.

Debido a efectos termicos (como ya se ha mencionado) se producen elec-trones que producen ruido en la senal transmitida, fenomeno al que se leha denominado corriente oscura7.

1.3.4. Tipos de CCD’s

En la actualidad existen 3 tipos de CCD’s, cuya diferencia principal radicaen el numero de pasos que utilizan para el transporte de carga: CCD’s de 2etapas (usan 2 voltajes de polarizacion), CCD’s de 3 etapas (usan 3 voltajes depolarizacion, ver figura 4) y CCD’s de 4 etapas (usan 4 voltajes de polarizacion).

Las dimensiones tıpicas de estos dispositivos oscila entre 1cm×1cm y 6cm×6cm.Fabricantes como Sony[19] y Samsung[20] los producen.

7Aunque estos factores limitan crear un CCD perfecto, se han logrado construir camarasdigitales y otros instrumentos de gran presicion con este tipo de dispositivos.

16

Figura 1.6: Arreglo teorico de un CCD (tomado de [13])

17

Capıtulo 2

El detector: componentes yproceso de montaje

En el presente capıtulo se describira el montaje realizado, el proceso que sellevo a cabo para conseguir el funcionamiento adecuado de las partes y, final-mente, se mostrara el detector armado.

2.1. Diseno del montaje

El detector consta de 3 partes basicas: un CCD, 2 intensificadores de ima-gen, la mitad de un taper (cuya funcion es reducir la imagen recibida del II2 altamanno del CCD, y se usa la mitad para garantizar que solo la luz de las fibrasllegue al CCD, dado que las fibras solo ocupan la mitad inferior de la entradadel II1)1 y un monojo2 de fibras de centelleo.

El objetivo es que haciendo incidir radiacion sobre las fibras de centelleo, laluz proveniente de estas incida sobre el II1, incida sobre II2, pase por el taper,sea detectada por el CCD y finalmente se vea la imagen en el computador, paraası hacer la adquisicion de datos. La figura 2.1 muestra el esquema descrito enlas lıneas anteriores.

1Un taper es un dispositivo que recibe luz por un area A1 y contrae la imagen linealmentepara obtenerla despues en un area A2, con A1 > A2. La intensidad de luz se reduce a la mitada causa del cambio en el angulo de incidencia de los fotones que entran. Fabricantes comoHamamatsu[18] los construyen.

2Bundle en ingles.

18

Figura 2.1: Esquema del detector.

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2.2. Funcionamiento del CCD e interfase paracomputador

Estando en un cuarto oscuro, la camara (CCD) se conecto a un televisor y,despues de encendidos los 2 dispositivos, se incidio luz roja de baja intensidad(producida por un LED) directamente sobre el CCD, la cual se observo en lapantalla del televisor.

Ya comprobado el funcionamiento del CCD, se procedio a hallar la manera deconectar la camara a un computador3 con el objetivo de hacer la adquisicion dedatos y guardar las imagenes obtenidas posteriormente. Esto se hizo conectan-do la camara de tal forma que la salida fuera una terminal USB, para lo cualse uso una sonda de osciloscopio de caimanes conectada directamente a ella, y,conectando estos a un cable con el puerto deseado (USB) se logro conseguir laconexion adecuada al computador. Finalmente, con el programa MGI VideoWave III se obtuvo (haciendo incidir luz de un LED sobre el CCD) un videode esta luz. La figura 2.2 muestra uno de esos cuadros.

Figura 2.2: Imagen de un LED tomada con el CCD

2.3. Acople y funcionamiento de los II’s con elCCD

Se procedio a acoplar los 2 intensificadores de imagen con el taper4. En todaslas interfaces (fibras-II1, II1-II2, taper y taper -CCD) se uso aceite optico paraevitar la presencia de aire en estas regiones, y se fijo el conjunto II1-taper -II2a la camara usando tornillos. Despues se conectaron los cables de alimentacionde los II’s a un filtro de voltaje5 y este se conecto a las fuentes de energıa.

3Con sistema operativo Windows XP.4Dado que estos elementos fueron donados por Fermi Lab, el taper y los II’s se acoplaron

usando el flange construido anteriormente.5Este dispositivo es un circuito RC, cuya funcion es evitar que entre mucho voltaje a los

II’s si hubiera un pico de voltaje no deseado producido por las fuentes u otro motivo.

20

Para comprobar que todas las partes ya acopladas funcionaban, se uso luz rojade baja intensidad, se guio la luz mediante una fibra optica de 1mm de diametroy esta se acoplo al II1, es decir, al intensificador de imagen encargado de recibirla luz inicial. Se encendieron todos los voltajes y usando valores de -150V, 685Vy 3.4kV se observo el cırculo de luz mostrado en la figura 2.3.

Figura 2.3: Imagen de luz guiada por fibra optica y amplificada por los intensi-ficadores de imagen

2.4. Arreglo de las fibras de centelleo y acopleoptico

Dado que las fibras de centelleo donadas por Fermi Lab eran muy exten-sas en longitud (∼1m) se procedio a cortar cerca de 100 fibras con longitud de10cm aproximadamente. Estas se cortaron usando cuchillas de cirugıa de altaprecision para procurar obtener cortes limpios, lo cual se hizo debido a la caren-cia de equipos mas adecuados (Lasers de corte, por ejemplo). Ya con las fibrascortadas, se pulieron las superficies transversales, es decir, las tapas de cada unade las fibras. A continuacion se lijo cada fibra con lija #120, despues con lija#200, posteriormente con lija #800 y finalmente con lija #1000 para conseguirque estas superficies fueran lo mas lisas posibles, todo esto con el objetivo deque la luz no se dispersara por causa de la rugosidad e imperfecciones de corteen las tapas de las fibras.

Lo que se hizo fue entonces agrupar estas fibras en forma de cilindro y se amar-raron con 2 anillos de caucho, para ası obtener un manojo de 1cm de diametroy 10cm de largo, que se acoplo al II1.

2.5. Detector

Para ver el detector montado, se muestra una foto de este con todos suscomponentes en funcionamiento en la figura 2.8, tal como se uso en las pruebasposteriores.

21

2.6. Especificaciones

La presente seccion presenta las especificaciones tecnicas de cada una de laspartes del detector, las caracterısticas de las fuentes radioactivas utilizadas enlas pruebas y las especificaciones de los programas usados para el analisis yadquisicion de datos.

2.6.1. Fuentes radioactivas

Los datos presentados en la siguiente tabla se tomaron de los datos dadospor los fabricantes.

Fuente Fabricante Pico Actividad EnergıaAm 241 Phywe α 3.7kBq ∼4MeV

Ra Phywe rayos γ y β 3.7kBq ∼2MeVRayos x Teltron ltd. rayos x 30keV

Nota: la referencia de la fuente de Ra es 0904201 y la referencia de la maquinade rayos x es: Tel-x-ometer Type 580M.

2.6.2. Fibras de centelleo

Paıs: Estados Unidos.

Fabricante: Bicron.

Nucleo: Poliestireno; ındice de refraccion 1.59.

Recubrimiento: Polimetilmetacrialato; ındice de refraccion 1.416.

Tiempo de decaimiento: 3ns.

Eficiencia cuantica: ∼ 5 %.

Longitud de atenuacion: 42.4cm.6

Pico de absorcion: 265nm.

Pico de emision: 330nm.

6El numero de fotones de rayos x que logran atravesar las fibras sin ser absorbidos p vienedado por p ≈ 1 − e−x/42,4 con x la longitud de las fibras en cm. Usando fibras de 10cm,p ∼ 0,21.

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Figura 2.4: Espectro de absorcion del poliestireno. El eje vertical indica la trans-mitancia y las flechas rojas los picos de absorcion[16].

2.6.3. Intensificadores de imagen

Paıs: Holanda.

Fabricante: Delft Electronische Producten.

Ano de fabricacion: 1991.

Tipo: XX1450.

Voltaje maximo de polarizacion del fotocatodo: -200V.

Voltaje maximo de polarizacion del MCP: 800V.

Voltaje maximo de polarizacion de la pantalla fluorescente (fosforo):6kV.

Tiempo de decaimiento: ∼ 1µs.

Coeficiente senal a ruido: 5.4.

Ganancia: 7000cd m−2lx a 800V en el MCP.

Numero de canales en el MCP: 1.5 millones.

Diametro de canal: 12 µm.

Las figuras 2.5 y 2.6 muestran las graficas de ganancia de los intensificadoresde imagen, las cuales se hicieron haciendo incidir luz de un LED sobre el II1,y, con ayuda de un fotomultiplicador, se midio la senal de salida del los II’sacoplados en funcion del voltaje de los anodos (con el MCP a 700V) y del MCP(con los anodos a 5kV) respectivamente. La figura 2.7 muestra la respuestaespectral del fotocatodo de un II.

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Figura 2.5: Ganancia de los II’s (como se usaron en el montaje) en funcion delvoltaje de los anodos con el MCP a 700V[17].

Figura 2.6: Ganancia de los II’s (como se usaron en el montaje) en funcion delvoltaje de los MCP’s con los anodos a 5kV[17].

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Figura 2.7: Respuesta espectral del fotocatodo del tipo de un II utilizado en elmontaje en funcion de la longitud de onda. Datos del fabricante.

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2.6.4. Camara

Paıs: Inglaterra.

Fabricante: EEV.


Temperatura de operacion: Temperatura ambiente7.

Tamano del CCD: 8.5mm × 6.3mm.

Numero de pixeles: 768 × 312.

Rango espectral: 420nm-1050nm.

Transporte de carga: 3 fases.

Corriente oscura: 1nA/pixel.

Figura 2.8: Respuesta relativa en funcion de la longitud de onda del CCD uti-lizado. Datos dados por el fabricante.

7Las tarjetas donde se ubica la electronica de la camara se calientan considerablemente,esto debido a que la corriente consumida por esta es del orden de 1A.

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2.6.5. Interfase

El cable conector entre el CCD y el PC (interfase) es marca Belkin conentrada analoga de 2 canales de audio y 1 de video y salida de USB.

2.6.6. Software

MGI VideoWave III


Fabricante: MGI Software Group.


Plataforma: Windows.

Adobe Premiere Pro v7.0


Fabricante: Adobe.



Iris v2.1

Fabricante: Christian Buil.



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Figura 2.9: El detector: manojo de fibras de centelleo, intensificadores de imageny CCD.

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Capıtulo 3

Imagenes obtenidas

Los datos obtenidos de las pruebas realizadas se obtuvieron en forma devideos en formato .AVI con un tiempo de duracion de 30 a 150s. Para facilitarsu analisis, se extrajeron cuadros1 de cada pelıcula con el programa AdobePremiere Pro en formato .bmp.

A continuacion se muestran algunos cuadros correspondientes a pruebas conlas 3 fuentes radioactivas usadas, las cuales fueron: americio, radio y rayos x.

3.1. Imagenes obtenidas usando Am 241

La fuente de americio se coloco justo al frente de las fibras de centelleo (encontacto con su seccion transversal) y se procedio a encender todos los compo-nentes del detector junto con el computador2. Se usaron voltajes de polarizacionde Vf = −183V, VMCP = 683V, VP = 5,8kV (voltajes cercanos a los valoreslımite, usados para obtener la mayor ganancia posible de fotones sin arriesgarla integridad de las partes del detector) a una temperatura de 18C3. Despuesde haber obtenido los datos, se extrajo el cuadro mostrado en la figura 3.1.

En otra serie de pruebas se puso un cilindro de silicona azul de 0.7cm dediametro por 1.2cm de largo en cuyo interior se incrustaron 2 alambres en formade X de 1mm de diametro. Este cilindro se coloco justo en frente de la secciontransversal del manojo de las fibras de centelleo y, frente a esta, la fuente deamericio. La figura 3.2 muestra la imagen obtenida, en la cual no se logro verlos alambres dentro del cilindro de silicona, porque las partıculas α no logranatravesar el material, al igual que las fibras de centelleo.

1Frames en ingles.2Cabe anotar que todas las pruebas se hicieron estando en oscuridad y que se hicieron

varias veces. En este documento se muestran solo las mas relevantes.3Estas temperaturas fueron medidas con una termocupla digital directamente sobre el

CCD.

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Figura 3.1: Imagen obtenida usando radiacion de Am 247 sobre el manojo defibras de centelleo.

Figura 3.2: Imagen obtenida usando radiacion de Am 247 sobre el cilindro desilicona.

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3.2. Imagenes obtenidas usando Ra

Esta fuente radioactiva se coloco en los mismos lugares en que se puso lafuente de americio (primero al frente del manojo de fibras de centelleo y de-spues en frente del cilindro de silicona4). Luego, se encendieron todos los com-ponentes del detector junto con el computador, y con voltajes de Vf = −200V,VMCP = 800V, VP = 6kV (voltajes que corresponden a los valores maximos,usados para obtener la ganancia maxima de fotones) a una temperatura de 18Cse obtuvieron las siguientes imagenes (figura 3.3 y figura 3.4).

Figura 3.3: Imagen obtenida usando radiacion de Ra incidiendo sobre el manojode fibras de centelleo.

4Los alambres dentro de este cilindro no se vieron, probablemente, debido a la falta demayor ganancia de fotones en los II’s. Sin embargo, se deberıan hacer mas pruebas con II’s demayor ganancia, para determinar si es posible ver los alambres.

Figura 3.4: Imagen obtenida usando radiacion de Ra incidiendo sobre el cilindrode silicona.

31

Figura 3.5: Montaje experimental para las pruebas con rayos x.

3.3. Imagenes obtenidas usando rayos x de 30keV

El montaje experimental fue en este caso particularmente difıcil, ya que elequipo de rayos x utilizado es de caracter basico (no muy adecuado para este tipode trabajos). Sin embargo, se logro adaptar este equipo para llevar a cabo laspruebas realizadas, cuyo procedimiento fue el siguiente. Se destapo la tapa pro-tectora del aparato de rayos x, y despues de revisar la electronica se logro quelos switches de seguridad (4 en total) fueran adecuados para que la maquinaemitiera radiacion con tal disposicion fısica. Ya con esta en funcionamiento, nosaseguramos que el haz de radiacion estuviera colimado (para lo cual se uso uncolimador en el tubo de rayos x) y que las condiciones de trabajo fueran seguras(para lo cual se midio la radiacion con contadores Geiger). Finalmente, la fuentede rayos x se acoplo con el detector y se alineo con luz laser para asegurar queel haz irradiara el manojo las fibras de centelleo. La figura 3.5 muestra una fotode este montaje.

32

Figura 3.6: Imagen obtenida incidiendo rayos x sobre el manojo de fibras decentelleo.

Figura 3.7: Imagen obtenida incidiendo rayos x sobre el cilindro de silicona.

La primera serie de pruebas se hizo incidiendo el haz de rayos x directa-mente sobre la seccion transversal de las fibras de centelleo usando Vf = −183V,VMCP = 720V, VP = 4,4kV a temperatura ambiente (18C). La imagen obtenidase muestra en la figura 3.65.Despues se coloco el cilindro de silicona entre el haz y las fibras de centelleo, ycon voltajes de Vf = −183V, VMCP = 750V, VP = 4,7kV a una temperaturade 18C, se obtuvo la imagen mostrada en la figura 3.76.

Por otro lado, se hicieron algunas pruebas poniendo anhidrido carbonico(hielo seco) al lado de la camara para bajar la temperatura del CCD. Se logro lle-gar a temperaturas de 14.7C (correspondientes a la temperatura del CCD), locual disminuyo el ruido promedio de 15u.a. a 12u.a.7 (imagenes no mostradas).

5La linea negra que se ve en esta figura y en la figura 3.7, se debe a una gota de aceite queno esta uniformemente distribuıda sobre la superficie de alguno de los acoples opticos.

6Es probable que los alambres no se hayan visto porque el cilindro no estaba perfectamentealineado con el haz de radiacion, y/o porque el material haya absorbido o reflejado gran partela radiacion

7En el documento se usara u.a. como la abreviacion de Unidades Arbitrarias

33

Capıtulo 4

Analisis de datos yresultados

De las imagenes obtenidas de las diferentes pruebas se procedio a obtenerdatos cuantitativos de estas. La primera informacion que se quiere extraer deestas imagenes es el valor de intensidad por pixel, objetivo que se logro usandoel programa Iris, para procesamiento y analisis de imagen. Los resultados deeste analisis se muestran en graficas de intensidad de luz (en u.a.) contra pixel,para las cuales se tomaron trozos 1 lineales horizontalmente (en un eje paraleloal eje x donde aparece luz y ruido; en las imagenes donde solo aparece ruido setomaron trozos justo en la mitad del CCD a lo largo de este) de la imagen deinteres, se guardaron estos valores numericos como archivos .dat y luego, conayuda de Excel, se hicieron las graficas correspondientes.

En el presente capıtulo se mostraran graficas de intensidad de luz y se darandatos cuantitativos de ruido para cada una de las imagenes obtenidas con lasdistintas fuentes radioactivas: LED (luz roja), Am 241, Ra y rayos x de 30keV.

4.1. Luz roja de baja intensidad

La figura 2.3 muestra la imagen de luz roja guiada por una fibra optica de1mm de diametro. Para conocer su intensidad de luz, se realizo la grafica deintensidad de luz contra pixeles, la cual se muestra a continuacion (figura 4.1).

Esta imagen fue extraıda de una lınea horizontal de pixeles donde hay sololuz visible en el intervalo 175 a 240 y lo restante corresponde a ruido.Mediciones de intensidad de ruido muestran que este oscila entre 5 y 28 u.a., delo cual se deduce que el pico de intensidad corresponde a la luz detectada conun valor promedio de 80u.a., que sin ruido valdrıa 60u.a. aproximadamente.

1Slices en ingles.

34

Figura 4.1: Intensidad de luz de la prueba con luz roja y fibra optica.

Figura 4.2: Intensidad de luz de la prueba con Am 241.

4.2. Am 241

4.2.1. Incidencia directa de radiacion sobre el manojo defibras de centelleo

No se detecto luz centelleada por incidencia de radiacion de esta fuenteradioactiva, lo cual fue corroborado haciendo el analisis de intensidades. Una deestas graficas (tomada de la figura 3.1) se muestra en la figura 4.2.

El pico en 185 no corresponde a la luz detectada, corresponde a un pixeldanado del CCD por causa de incidencia directa de radiacion sobre este2. Elruido oscila entre 5 y 30u.a. aproximadamente.

No se observa luz centelleada, probablemente, debido a que el Am 241 emite2Esto fue causado por el grupo de personas que utilizo el equipo por primera vez.

35

Figura 4.3: Intensidad de luz de la prueba con Am 241 con obstaculo de silicona.

principalmente partıculas α y estas no logran penetrar de manera considerablelas fibras de centelleo, lo cual no produce luz suficiente para ser detectada porla maquina utilizada.

4.2.2. Incidencia de radiacion sobre el cilindro de siliconaacoplado al detector

Usando el cilindro de silicona como obstaculo, se obtuvo la imagen mostradaen la figura 3.2, de la cual se obtuvo la grafica de intensidades mostrada en lafigura 4.3, que, naturalmente, muestra la ausencia total de luz.

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Figura 4.4: Intensidad de luz de la prueba con Ra.

4.3. Ra


De la imagen mostrada en la figura 3.3 se obtuvo la grafica de intensidadmostrada en la figura 4.4.

El ruido se registro entre 5 y 25u.a. aproximadamente (15u.a. en promedio).El pico ancho ilustra la luz detectada por el CCD, lo cual muestra que variasfibras de centelleo emitieron luz suficiente para ser visible. Posiblemente, lasfibras centellean debido a los rayos γ producidos por la fuente de Ra.


La figura 3.4 muestra luz muy tenue en forma circular con el centro delcırculo mas oscuro, esto por causa de la presencia del cilindro como obstaculopara la radiacion incidente. El hecho de que la luz sea tan tenue se ve reflejadoen la grafica de intensidades (figura4.5) la cual revela que la luz se confunde conel ruido, cantidad que oscila entre 35 y 40u.a..

El intervalo de pixels entre 225 y 300 muestra una intensidad levementesuperior (entre 50 y 60u.a. aprox.) al ruido, que corresponde a la luz tenue enla figura 3.4.

4.3.3. Grafica de (senal-ruido)/ruido

El coeficiente de senal a ruido depende del lugar donde miremos la intensi-dad de luz. Por esta razon, se muestra una grafica de este.

En este caso se tomaron los mismos pixeles que se usaron para obtener las

37

Figura 4.5: Intensidad de luz de la prueba con Ra con obstaculo de silicona.

Figura 4.6: Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuentede Ra.

intensidades de luz (figura 4.4), se tomaron sus respectivas intensidades en val-or numerico, se le resto el ruido (calculado sacando la intensidad de un cuadrode solo ruido de la misma prueba) y de acuerdo a la ecuacion (con s la senal yr el ruido)

c =s− r

r(4.1)

se grafico el coeficiente senal a ruido que se muestra en la figura 4.6, el cualindica que son imagenes de resolucion aceptable.

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4.4. Rayos x de 30keV


De la imagen mostrada en la figura 3.6 se obtuvo un ruido promedio de15u.a. (ver fifura 4.9) y la grafica de intensidad de luz contra pixeles, como lomuestra la figura 4.7.

Figura 4.7: Intensidad de luz con fuente de rayos x de 30keV.

Para saber cuantitativamente que las fibras centellean con esta radiacion, sehizo la grafica del coeficiente de senal a ruido, la cual se muestra en la figura4.8.

Figura 4.8: Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuentede rayos x de 30keV.

39

Figura 4.9: Ruido obtenido para la imagen de la figura 3.6. Las graficas de ruidopara estas pruebas son de naturaleza similar a esta grafica, teniendo en cuentaque el ruido no es homogeneo sobre el CCD.


Similarmente, la intensidad de luz de la imagen de rayos x (usando el cilindrode silicona como obstaculo) se muestra en la figura 4.9, la cual ilustra claramente2 picos entre el intervalo de pixeles de 180 a 380, que corresponden a la luzcentelleada por la radiacion que logro alcanzar las fibras debido a la ausenciadel obstaculo en esa region (el diametro de las fibras es 1cm, mientras que eldiametro del cilindro es 0.7cm). El mınimo que se observa en este intervalo cor-responde a la radiacion que atraveso el material y fue detectado por la maquina.Para ver la grafica del coeficiente de senal a ruido de esta imagen, vease la figura4.10.

Figura 4.10: Intensidad de luz con fuente de rayos x de 30keV con obstaculo desilicona.

40

Figura 4.11: Coeficiente de senal a ruido para la imagen obtenida con la fuentede rayos x de 30keV con obstaculo de silicona.

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Capıtulo 5

Conclusiones y perspectivas

Los resultados obtenidos con el detector muestran claramente que las fibrasde centelleo producen luz detectable por los intensificadores de imgen utilizandoRa como fuente radioactiva, lo cual sugiere que este responde bien a rayos β ya rayos γ. Sin embargo, se requeriran mas estudios para conocer exactamentecomo responde el detector usando solo un tipo de las radiaciones mencionadas.

Las pruebas con rayos x muestran que el montaje funciona bastante bien (re-sultado que se extrae de las imagenes computarizadas y su analisis) por lo quese infiere que el detector es potencialmente util en la obtencion de imagenesmedicas en las que la radiacion incidente es la mencionada. Las razones queargumentan su posible aplicacion en la medicina son las siguientes:

Para tomar una radiografıa, tıpicamente se necesita un tiempo de exposi-cion a la radiacion de 600ms. Pero, dado que el detector logra captar unaimagen en 33ms con rayos x de 30keV, tendrıamos como consecuencia unaexposicion menor del paciente a la radiacion, lo cual serıa una ventaja.

El costo del detector respecto a uno de silicio es considerablemente menor,lo que en paıses con bajo presupuesto podrıa ser un aparato bastante utilpara obtencion de imagenes con rayos x.

El detector consiste en un montaje pequeno, lo cual es una ventaja parasu transporte y ubicacion.

La maquina podrıa mejorarse de manera notable si se utilizara un CCD mas re-ciente (este producirıa menos ruido y se aumentarıa la calidad de las imagenes),si se emplearan intensificadores de imagen de nueva generacion (con coeficientesenal a ruido mas elevado y canales de 4µm en el MCP) y si se usaran fibras decentelleo de menor diametro1 y con nucleo de GSO:Ce [13], por ejemplo (paraincrementar la resolucion en al menos un factor de 10 y tener mas ganancia yeficiencia cuantica).

1Fibras cuadradas o hexagonales con diametro de 100µm o menos.

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Naturalmente, habra que realizar pruebas suficientes para que finalmente eldetector pueda ser utlizado para la obtencion de imagenes medicas, como en ladeteccion temprana del cancer de seno, en la toma de radiografıas con dosis deradiacion mas bajas o en el estudio de materiales.

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Agradecimientos

La realizacon de este trabajo no hubiera sido posible sin la asesorıa de CarlosAvila, quien estuvo apoyando esta idea todo el tiempo.Los mas sinceros agradecimientos a Leonardo Aguilar por su colaboracion en laedicion de imagenes, a Cesar Talero por lograr conseguir una buena calidad desoldadura en las junturas de cables del detector y a Alvaro Ojeda y jhon HenryBayona por proveer elementos necesarios para el montaje. A Darıo Cruz porsu colaboracion en la adquisicion de datos, a Benjamin Oostra por facilitar elprograma Iris y en general a las personas que de alguna manera siempre hansido motivacion para seguir trabajando en el proyecto.

Bibliografıa

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[18] sales.hamamatsu.com

[19] www.sony.com

[20] www.samsung.com

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detector de fibras de centelleo y ccd para im´agenes a

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