MEDIDA DE LA DISTRIBUCIÓN DE TRANSFERENCIA LINEAL DE ENERGÍA EN HACES DE IONES MEDIANTE DIODOS DE SILICIO 3D

Transcripción

1 MEDIDA DE LA DISTRIBUCIÓN DE TRANSFERENCIA LINEAL DE ENERGÍA EN HACES DE IONES MEDIANTE DIODOS DE SILICIO 3D Juan Prieto Pena Director: Dr. Faustino Gómez Rodríguez

2 Hadronterapia

3 Fundamento-Transferencia Lineal de Energía S col ρ = dt r 2 e m e c 2 Z = 4π N 1 ρdx A c β 2 A z2 2 ln 2m ec 2 β 2 γ 2 Q max I I β 2 δ 2 C Z Si existe equilibrio de partículas cargadas (CPE) en espesores delgados de material: D = Φ dt ρdx c

4 Fundamento-Curva de Bragg El poder de frenado es máximo al final del alcance de los iones.

5 OBJETIVOS Medición de deposición de energía a partir del LET en silicio. Comparación de valores experimentales con los valores esperados de acuerdo con el modelo actual.

6 SETUP EXPERIMENTAL Ganil: acelerador de iones en CAEN

7 SETUP EXPERIMENTAL Haz 12C de MeV/A Ancho de haz aprox. 6 mm partículas por segundo.

8 SETUP EXPERIMENTAL PS35 Controlador Motor paso a paso Diodo 3D de 10 um silicio RS-232 Control room Haz 12 C High Voltage power supply Beam profiler X e Y (cámara MWPC) PMMA de espesor variable. Bancada motorizada. Preamplificador de carga y shaper. Low Voltage power supply Multicanal Amptek MCA8000A RS-232

9 SETUP EXPERIMENTAL Detectores de 1 mm (C5) 26x26 p-electrodos 27x27 n-electrodos + 2 extra n-electrodos por lado, flotantes Pitch 40um Area activa 1040x1040 um 2 Extra n-columns, floating

10 Setup experimental Passivation: 50 nm Si 3 N nm SiO 2 20µm * 2 Al 500nm Polysilicon 500nm Field oxide ~350 nm SiO 2 10µm a 20µm N-hole P-hole 5µm Si-n - SiO 2 1µm Support Si wafer 300µm

11 MONTAJE EXPERIMENTAL-CALIBRACIÓN DE LA POSICIÓN DE LAS CUÑAS DE PMMA. Espesor en PMMA a partir de la posición de la cuña. Ajuste cuadrático entre las dos variables. Incertidumbre estimada en el espesor de la cuña ~30 μm

12 VALORES TEÓRICOS - SRIM Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM) Conjunto de programas que calculan la interacción de iones con la materia. Efectúa simulación por método de Monte Carlo para hallar la posición del ion y la energía perdida por éste. También contiene tablas con valores de poder de frenado medio.

13 MEDIDAS VALORES MEDIOS Media aritmética de las distribuciones experimentales. A partir de los valores medios de poder de frenado (SRIM) hallamos la curva de Bragg.

14 LET en Si promediado en fluencia en función de la profundidad de PMMA. SRIM 2014

15 Energía cinética media de los iones de 12 C después de atravesar PMMA SRIM 2014

16 Señal experimental C5 (30 V) d= 19,75 mm Zonas de colección parcial de la carga de ionización.

17 Señal experimental C5 (0 V) Distribución de altura de pulso

18 Comparación entre datos experimentales y simulación de LET medio con SRIM Valor medio de las distribuciones de señal. SRIM 2014 LET en Si promediado en fluencia.

19 Comparación de valores medios de C5 (0 V) y simulación. i exp SRIM 2 2 N * Smedia i medio ( zi L) ( z ) LET 2 U total N (98) L 0,053(22) mm kev μm adc Caracterización dosimétrica de diodos 3D

20 MEDIDAS VALOR MÁS PROBABLE DE LET Ajuste de las distribuciones experimentales a lineal + gaussiana. Uso del valor de la media de la distribución gaussiana para realizar las medidas. En SRIM se efectúan simulaciones de la propagación de iones a través de diferentes espesores de PMMA y se calcula su pérdida de energía en una capa de silicio con el fin de obtener la distribución de energía lineal. Por hipótesis el espesor de Si es de 10 μm.

21 Espectro de energía lineal simulado con SRIM en 10 μm de silicio SRIM 2014

22 Energía lineal más probable en Si en función del espesor de PMMA.

23 Comparación entre datos experimentales y simulación de LET mp con SRIM Valor más probable de las distribuciones de señal. SRIM 2014 LET en Si más probable.

24 Comparación de valores más probables de C5 (0 V) y simulación. i exp SRIM 2 2 N * Smedia i medio ( zi L) ( z ) C0 LET 2 U total 2 min 0,3674 N 1.007(90) L 0,041(69) C 0 10,0(6,3) kev μm adc mm kev μm

25 Comparación de resultados (Profundidades PMMA=18 mm y 19,5 mm)

26 Comparación de resultados (Profundidad PMMA=7 mm)

27 CONCLUSIONES Los diodos 3D permiten medir la distribución de LET fielmente cuando se trabaja a polarización nula o muy pequeña. Los valores de conversión adc -> kev/μm se han obtenido directamente de un ajuste a las distribuciones teóricas de SRIM. La primera estimación de incertidumbres en los datos experimentales parece indicar que están sobre-dimensionadas dada la distribución de residuos y el valor de mínimo chi-cuadrado. El ajuste a los valores medios y más probables de LET para SRIM 2013 es excelente (χ 2 <1) con residuos relativos locales para los valores de energía lineal más probable inferiores o iguales al 2% en toda la curva de Bragg. Las distribuciones de energía lineal presentan un background (posiblemente fotones, electrones, fragmentos nucleares o pile-up) no estudiado que sesga significativamente sus valores medios. Las distribuciones experimentales de LET a baja profundidad (d< 15mm) presentan una FWHM inferior al valor simulado con SRIM. Probablemente se trata de un problema del motor de cálculo MC en espesores muy finos.

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