Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile
Referente: Coppedè Nicola
Detector di raggi X e gamma

Oggi i rivelatori di radiazioni ionizzanti sono largamente impiegati in numerosi campi applicativi.
Questi includono, ad esempio, l’imaging in ambito medicale (CT, SPECT), monitoraggio ambientale (controllo della radiazione di fondo e di aree contaminate), sicurezza (controllo di bagagli e cargo), impianti di controllo industriale (scanner in linea per controllo materiali o corpi estranei) e astrofisica (studio della radiazione X e gamma proveniente da corpi celesti).

x- and gamma-rays detectors

Nell’ultima decade i dispositivi a semiconduttore hanno acquisito sempre più importanza e hanno rimpiazzato i classici scintillatori in numerose applicazioni. I rivelatori a semiconduttore sono in grado di ottenere una maggiore risoluzione energetica grazie alla conversione diretta della radiazione incidente in segnale elettrico. In aggiunta, permettono di ottenere una maggiore risoluzione spaziale per l’imaging. Queste caratteristiche rendono i semiconduttori la più avanzata tecnologia per la detezione di fotoni X e γ nell’intervallo 1 keV - 10 MeV. 

Data la forte richiesta di tali dispositivi, diversi materiali semiconduttori sono stati studiati. I requisiti principali sono: I) elevato potere frenante anche per radiazioni altamente energetiche; II) capacità spettroscopiche; III) realizzazione di immagini con una buona risoluzione spaziale; IV) funzionamento a temperatura ambiente; V) eccellente rigidità meccanica per realizzare sistemi stabili e compatti.

IMEM e il CdZnTe (CTZ)

Tra i materiali studiati, il Cadmio Zinco Tellurio (CdZnTe o semplicemente CZT) soddisfa i requisiti elencati in precedenza. CdZnTe rappresenta il miglior compromesso in termini di efficienza, numero atomico, resistività e funzionamento a temperatura ambiente.

In particolare, le caratteristiche fisiche più importanti sono:

  • Una bandgap di 1.57eV la quale è allo stesso tempo sufficientemente ampia da garantire un’elevata resistività e sufficientemente stretta da mantenere una bassa energia di produzione di coppie elettrone-lacuna (buon rapporto segnale rumore)
  • Un numero atomico medio di 50 che garantisce un buon potere frenante
  • Una mobilità elettronica e lacunare sufficientemente alta
  • Possibilità di crescere singoli cristalli di grandi dimensioni

Per queste ragioni, il CZT è diventato il materiale ideale per la realizzazione di questi dispositivi.

IMEM studia il CZT da quasi 20 anni e attualmente collabora con numerosi gruppi di ricerca italiani e internazionali e aziende.
Le competenze di IMEM spaziano su vari fronti:

1. Crescita di cristalli

Presso IMEM è presente un forno vertical Bridgman. Grazie a questo e alla lunga esperienza in questo campo, qui cresciamo oggi grandi singoli cristalli di CZT allo stato dell'arte, con proprietà di trasporto competitive e resistività elevatissime.
L’utilizzo di monocristalli è essenziale in questo tipo di applicazioni, in quanto il materiale policristallino possiede limitate proprietà di trasporto a causa della ricombinazione di carica che avviene ai bordi di grano. Ottenere singoli cristalli di grandi dimensioni e con proprietà fisiche ideali è una sfida importante nel caso del CZT. Monocristalli di CZT vengono ottenuti da precursori estremamente puri, evitando contaminazioni durante la crescita e ottimizzando al meglio il processo di crescita.
Oggigiorno, le tecniche di crescita maggiormente utilizzate sono Traveling Heater Method (THM) e Bridgman (high-pressure, low-pressure, and boron-encapsulated)).

xray detectors growth

 

2. Fabbricazione di rivelatori

I rivelatori possono essere interamente realizzati in IMEM. Il processo inizia dalla selezione del materiale (CZT cresciuto in IMEM oppure commerciale) e termina con la contattatura su board dedicate passando per varie operazioni, quali lappatura, lucidatura, deposizione di contatti, e passivazione.
Una selezione accurata del materiale è necessaria per ottenere buone proprietà di trasporto e, quindi, alte prestazioni. Il processo di taglio del cristallo richiede speciali precauzioni e rappresenta un passaggio fondamentale e critico, soprattutto se si vogliono evitare fratture o danneggiamenti. A questo segue la preparazione delle superfici su cui sono depositati i contatti: esse devono essere omogenee, con una bassa rugosità superficiale e non ossidate. Un meticoloso processo di lappatura e lucidatura rende le superfici pulite e pronte per la deposizione metallica. I contatti depositati possono essere di diverso tipo: evaporazione di Au o Pt, oppure deposizione electroless di Ni, Au o Pt (il metallo selezionato dipende dalla caratteristiche del rivelatore). All'interno della camera bianca dell'istituto vengono realizzati patterning personalizzati degli elettrodi.La passivazione è, generalmente, il passaggio finale e permette di aumentare la resistività e ridurre le correnti di buio del rivelatore (anche di tre ordini di grandezza). Grazie alla nostra esperienza, siamo tra i leader mondiali nella realizzazione di rivelatori custom e forniamo dispositivi personalizzati a numerose aziende e  gruppi di ricerca, come ESRF e ASI.

xray detectors fabrication

 

3. Caratterizzazione del materiale e del dispositivo

IMEM è in grado di caratterizzare sia il materiale (scansione a infrarossi per il rilevamento di inclusioni di Te, microscopio ottico) che il dispositivo finito (probe station per la caratterizzazione elettrica, catena elettronica di lettura e sorgenti radioattive).
Le inclusioni di Te limitano duramente le prestazioni dei dispositivi di CZT in particolare per applicazioni di imaging. Lo studio della densità e distribuzione delle inclusioni è dunque importante per assicurare la qualità del materiale, per capirne il processo di formazione durante la crescita e per confermare l’efficacia dei trattamenti termici successivi alla crescita. In IMEM è stato sviluppato un sistema di ricostruzione 3D della distribuzione di inclusioni all’interno del materiale. Questo sistema permette di scansionare da piccoli cristalli ad interi wafers di CZT, rilevando le inclusioni di dimensioni micrometriche che potrebbero influire sulla performance del dispositivo.
La caratterizzazione elettrica permette invece di fornire informazioni sulle prestazioni del rivelatore in condizioni operative.
I dispositivi finiti possono essere testati spettroscopicamente con alcune sorgenti radioattive (241Am, 47Co e 137Cs).

xray detectors characterization

 

4. Simulazione della risposta del rivelatore e correzioni spettrali

Il tool di simulazione sviluppato nel nostro istituto riproduce tutti i processi fisici coinvolti nella produzione del segnale, dai meccanismi di assorbimento della radiazione all’influenza della geometria degli elettrodi.
Il sistema è basato su calcoli a principi primi ed è costituito da un simulatore Monte Carlo, un calcolatore a elementi finiti ed un software per il calcolo numerico. Interazione tra radiazione e semiconduttore, trasporto di carica e ruolo dei campi elettrici e di weighting sull’induzione del segnale sono simulati. È possibile simulare l’intero setup sperimentale inclusa la presenza di eventuali attenuatori, collimatori e superfici di scattering. Questo simulatore è utilizzato anche per sviluppare algoritmi di correzione per rimuovere le distorsioni spettrali caratteristiche di questo tipo di sensori.

xray detectors simulation

 

5. Identificazione di isotopi

IMEM ha avviato lo sviluppo di algoritmi capaci di identificare i radioisotopi presenti in uno spettro gamma misurato. Grazie ad un approccio basato sul machine learning, gli algoritmi sono in grado di svolgere questo compito con notevole accuratezza anche in spettri estremamente rumorosi.
Il potere di astrazione delle reti neurali artificiali ha reso possibile sia l’identificazione che la quantificazione dei radioisotopi. Il punto di forza principale è la capacità di andare oltre le risoluzioni energetiche limitate dove algoritmi standard falliscono. Il metodo ha il potenziale di superare lo stato dell’arte degli algoritmi attuali.

xray detectors identification software

 

Collaborazioni

Durante gli anni IMEM ha instaurato collaborazioni con numerosi centri di ricerca internazionali ed aziende all’avanguardia in questo settore.

Le collaborazioni attuali sono con:

  • Rutherford Appleton Laboratory (RAL, Oxfordshire, UK). Realizza ASIC avanzati per la lettura di segnali. Numerosi rivelatori IMEM sono stati contattati con questi ASIC e misurati al Diamond Light Source synchrotron presso RAL.
  • Università di Parma (UNIPR, IT), dipartimento di Fisica. Possiede la strumentazione per effettuare misure di transienti di corrente indotti da laser e possiedono sorgenti radioattive per la caratterizzazione.
  • Università di Palermo (UNIPA, IT), dipartimento di Fisica. Esperti di livello mondiale nell’elettronica digitale il quale rappresenta un ruolo chiave per aumentare le prestazioni dei sensori sia in termini di risoluzione spaziale che energetica.
  • INAF di Bologna (IT). Studia strumentazione per la detezione di raggi X e gamma per applicazioni in astrofisica. I rivelatori 3D di CZT sono utilizzati per tracciare le interazioni Compton con il cristallo per localizzare e riconoscere le sorgenti di radiazioni nello spazio.
  • INFN Pavia (IT). Studia la Boron Neutron Capture Terapy (BNCT). Si tratta di una adroterapia sperimentale per trattare localmente tumori maligni invasivi irradiandoli con neutroni. Particelle alfa e fotoni gamma sono generati in seguito all’interazione tra i neutroni e gli atomi di 10B introdotti nel tumore. Le particelle alfa uccidono le cellule tumorali mentre i fotoni gamma attraversano il corpo e possono essere rilevati per monitorare la terapia. Distinguere tali fotoni tra tutte le radiazioni ionizzanti generate durante la terapia non è un compito semplice. Il CZT è utilizzato per questo scopo.
  • XNEXT s.r.l. (Milano, IT). È un'azienda che produce e sviluppa tecnologie spettroscopiche avanzate per l'imaging di raggi X in linea di produzione in tempo reale. Diversi contratti di ricerca sono stati stipulati tra IMEM ed Xnext con lo scopo di studiare diversi materiali come CdTe e CZT e di sviluppare prodotti ed algoritmi innovativi per le correzione spettrali.
  • European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble FR). IMEM collabora con l’ESRF per la realizzazione di rivelatori a pixel basati su CZT per imaging. ESRF ed altri importanti enti di ricerca stanno studiando materiali ad alto Z per rimpiazzare la tecnologia esistente basata su silicio che presenta un’efficienza limitata sopra i 20 keV.

Progetti

I principali progetti attualmente in corso sono:

Applicazioni

Le caratteristiche del CZT lo rendono adatto per essere impiegato in diverse applicazioni:

  • Monitoraggio ambientale
    Al giorno d'oggi, le tecniche per rilevare agenti radiologici e nucleari (RN) sono fortemente richieste nel campo della sicurezza nazionale (sicurezza delle frontiere e dei porti) e ambientale, per la rapida scansione di aree sensibili (ristoranti, aeroporti, stazioni della metropolitana, centri commerciali, ecc..) in quanto possibili bersagli per minacce terroristiche come “bombe sporche” o sorgenti radioattive silenziose. Pertanto, lo sviluppo di rilevatori di radiazioni ionizzanti in grado di rivelare, misurare, identificare e analizzare le sorgenti radioattive è un'esigenza primaria. [continua a leggere...]
  • Controlli non distruttivi
    Il potere penetrante di fotoni altamente energetici ha portato alla realizzazione di nuove tecnica di ispezione in grado di letteralmente “vedere” dentro un oggetto senza romperlo o aprirlo. Tale processo è definito “controllo non distruttivo” e ha rappresentato una svolta in ambito industriale poiché ha permesso di verificare rapidamente la qualità dei prodotti finiti e di rilevare la presenza di contaminanti all’interno di essi. [continua a leggere...]
  • Astrofisica
    La capacità di rilevare radiazione elettromagnetica X e gamma ha un ruolo cruciale nell’osservazione di corpi celesti e della radiazione cosmica. Infatti, la luce proveniente dallo spazio copre l’intero spettro elettromagnetico e, quindi, la sua rilevazione nell’intervallo energetico da pochi keV a pochi MeV è essenziale per completare il quadro.  [continua a leggere...]
  • Imaging medicale
    L’utilizzo di dispositivi a stato solido ha portato alla realizzazione di nuovi strumenti medicali con prestazioni più elevate rispetto a scintillatori. SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) o CT (Computed Tomography) sono tecniche che stanno divenendo sempre più comuni nella medicina preventiva e in chirurgia. L’utilizzo di questi dispositivi ha reso possibile il riconoscimento di particolari malattie e quindi di curarle.
  • Imaging
    ESRF ed altri importanti enti di ricerca stanno studiando materiali ad alto Z per rimpiazzare la tecnologia esistente basata su silicio che presenta un’efficienza limitata sopra i 20 keV. Le proprietà elettriche e l’omogeneità del CZT rendono la realizzazione di dispositivi con un’area elevata (> 1 cm2), con una risoluzione spaziale fine (< 100 µm) e con una risoluzione energetica ottimale un obiettivo arduo [continua a leggere...]