Diseño de electrónica de lectura basado en FPGA para detectores de radiación semiconductores

Abstract

Los detectores de radiación basados en semiconductores constituyen una de las tecnologías más utilizadas en sistemas de medición de radiación ionizante, debido a su alta resolución energética, tamaño compacto y rápida respuesta. En estos dispositivos, la radiación incidente genera pares electrón–hueco en el material semiconductor, produciendo pulsos eléctricos cuya amplitud está relacionada con la energía depositada por la partícula incidente. El procesamiento de estas señales requiere de sistemas electrónicos capaces de acondicionar, adquirir y analizar los pulsos generados por el detector. En particular, en aplicaciones aeroespaciales, estos sistemas deben operar en entornos con presencia de radiación ionizante, lo que puede provocar eventos transitorios en los circuitos digitales y afectar su funcionamiento. En este contexto, el uso de dispositivos programables del tipo FPGA resulta especialmente adecuado, ya que su arquitectura reconfigurable permite recuperar el funcionamiento del sistema mediante la recarga del bitstream, mejorando la robustez frente a efectos de radiación. A partir de estas consideraciones, en este trabajo se desarrolla un sistema electrónico para la lectura y procesamiento de señales provenientes de detectores de radiación semiconductores. El sistema integra una etapa de acondicionamiento analógico junto con una etapa de adquisición digital basada en FPGA, permitiendo medir eventos individuales y extraer información asociada a la energía de las partículas detectadas. Para validar el sistema, se realizaron ensayos experimentales utilizando una fuente 241Am, emisora de partículas alfa, y el detector semiconductor U3DTHIN. A partir de las señales adquiridas, se construyeron histogramas que permiten analizar la distribución de los eventos detectados. El producto final es una placa que tiene un formato shield y se acopla fácilmente a los conectores de expansión de la placa EDU-CIAA FPGA. La placa shield llamada Front End ICE 40 integra el acondicionamiento de señal y el generador de rampa junto con el comparador. El dispositivo desarrollado no se limita solamente a una sola aplicación, sino que también se puede utilizar una gran variedad de aplicación ya que la electrónica desarrollada es aplicable a distintos tipos de detectores semiconductores con características similares como los tubos fotomultiplicadores (PMTs), fotodiodos, fotodiodos de avalancha (APDs) y diversos detectores basados en gas. La solución propuesta combina flexibilidad, capacidad de procesamiento y adaptabilidad, constituyendo una alternativa viable para sistemas de detección de radiación en aplicaciones científicas, industriales y aeroespaciales