Contribuciones al procesado hardware de la señal para detectores de radiación de alta resolución espacial con lectura por matriz de fotodiodosdiseño de un prototipo funcional basado en FPGA

Résumé

Aplicaciones de física médica y nuclear para el diagnóstico por imagen o la radioterapia de alta precisión, así como otras de carácter industrial, tales como la implantación iónica en microelectrónica, requieren de dispositivos capaces de conocer la posición de un haz de partículas con alta resolución. El detector de radiación utilizado para determinar la posición de interacción de una partícula o de un haz, en éstas y otras aplicaciones físicas, se denomina hodoscopio, y su función es proporcionar la característica espacial del haz. La tecnología basada en fibra óptica centelleadora es una solución al problema de posicionamiento de alta precisión que ha ido adquiriendo importancia en los últimos tiempos. En concreto, un hodoscopio basado en esta tecnología se construye configurando planos de detección con fibras paralelas y equidistantes, cada uno siguiendo un eje de coordenadas. Así, un solo plano proporciona la posición de interacción en (x) y dos planos en (x, y). Otras configuraciones contienen cuatro o incluso seis, en cuyo caso se puede obtener información sobre la dirección, además de la posición de las partículas. El objetivo de este trabajo es doble: por un lado, proponer una solución al read-out de un prototipo de hodoscopio de alta resolución como el descrito y, por el otro, proporcionar la posición de interacción del haz con el detector con alta precisión. El prototipo sobre el que se ha trabajado para cumplirlos, contiene un solo plano de detección, en el que las fibras se han colocado en posiciones arbitrarias. Para lograr el primer objetivo, se realiza una propuesta de diseño electrónico del read-out para llevar a cabo la lectura de la señal de luz y su posterior procesado, basada en una matriz de fotodiodos de silicio. Se pretende demostrar la viabilidad de esta propuesta. El diseño lo completa un controlador de la matriz, cuya función es manejar los tiempos de integración de la carga y salida de datos, y un módulo de expansión a modo de mezzanine que cumple con los requisitos de digitalización, todo ello controlado por una placa de Xilinx para diseño hardware con dispositivo FPGA. Se prepara un setup a partir de la electrónica descrita conectada al prototipo y se realizan pruebas experimentales con fuente radiactiva, consiguiéndose buenos resultados y prestaciones del dispositivo. Para validar y dar coherencia a los resultados de las pruebas, se modelan simulaciones del detector a la medida de éstas. En aplicaciones de física, es muy común el empleo de simuladores Monte Carlo como Geant4. Tras una estandarización de los resultados de ambos entornos, éstos se cotejan para demostrar la validez de la propuesta realizada. Por lo que se refiere al segundo objetivo, obtener la posición de interacción del haz con el detector con alta precisión, queda garantizado por las características intrínsecas del prototipo, ya que sus fibras son de secciones submilimétricas, siendo la resolución del mismo orden. Sin embargo, en algunos casos, las aplicaciones mencionadas pueden requerir de incluso mayores prestaciones. Por ello, se plantea implementar técnicas de procesado de señal para aumentar la resolución espacial. Se realiza una propuesta de dos posibles métodos. El primero, uno probabilístico de estimación utilizado comúnmente en aplicaciones de física nuclear, el Estimador de Máxima Verosimilitud. El segundo, un método de regresión no lineal de ajuste por mínimos cuadrados basado en el Algoritmo de Levenberg-Marquardt. La posibilidad de proporcionar la posición de interacción con alta resolución en tiempo real, únicamente a partir del diseño electrónico propuesto, motivan la implementación hardware de los algoritmos en la propia FPGA, consiguiéndose de esta manera un sistema compacto. Los resultados de las implementaciones hardware demuestran la viabilidad de las propuestas, incrementando la resolución del prototipo hasta en un factor 8, consiguiéndose una resolución en torno a las 100 um y permitiendo un procesado de datos online y en tiempo real. Las diferencias encontradas en las prestaciones de cada una permite valorar la convenencia de cada método de acuerdo con el campo de aplicación. Cabe destacar el hecho de que la presente tesis en ingeniería electrónica queda enmarcada en un contexto multidisciplinar de instrumentación para aplicaciones físicas. En efecto, engloba conocimientos de distintas ciencias que van desde la física nuclear, detectores de radiación, entornos de simulación Monte Carlo, electrónica digital y técnicas de procesado de señal.