Contribution à la simulation tridimensionnelle de détecteurs semiconducteurs en spectrométrie gamma
Institution:
Université Joseph Fourier (Grenoble)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Parallel to the scientific investigations on gamma radioactivity, technological research on gamma ray detectors have rapidly developed. Gamma ray imaging is changing towards systems using room temperature semiconductors, whose principal advantages are compactness and intrinsic materials performances, due to the direct conversion of the gamma rays into electric charges. In the research field, the available solutions are numerous, thus justifying numerical simulation. Modelling presents a double interest for technological improvement and fast development of new techniques. A fully three-dimensional model of a semiconductor gamma ray detector is presented. It takes into account the physical phenomena involved in the detection process and models the readout electronic response and noise. The model successively involves the finite element transient computation of the adjoint transport equation, the Monte Carlo simulation of the photon transport and the electronic signal processing including an accurate noise model. The simulation outputs are pulse height spectra and biparametric spectra (rise time versus pulse height). The validation carried out on each part of the simulator and also on the whole simulator confirms that the set of chosen models is correct and that our implementation is reliable.
Abstract FR:
Parallèlement aux investigations scientifiques sur la radioactivité gamma, l'instrumentation et la recherche technologique sur les détecteurs se sont rapidement développées. L'imagerie gamma est en mutation vers les systèmes utilisant les détecteurs semiconducteurs à température ambiante. Leurs principaux avantages sont la compacité et les performances intrinsèques de ces matériaux, dues à la conversion directe des photons gamma en charges électriques. Dans le domaine de la recherche, les solutions envisageables sont très nombreuses, justifiant à plusieurs titres l'utilisation de la simulation numérique. Celle-ci présente un double intérêt pour l'amélioration des technologies classiques et pour la mise au point rapide de nouvelles techniques. L'outil de simulation tridimensionnel développé dans le cadre de ce travail permet de prendre en compte l'ensemble des phénomènes physiques impliqués lors de la détection des photons gamma : l'interaction rayonnement-matière, le transport des porteurs dans le cristal ainsi que le traitement électronique des signaux. Le simulateur couple la résolution numérique tridimensionnelle transitoire de l'équation adjointe de transport des porteurs, le calcul Monte-Carlo pour le suivi des photons dans le détecteur et le traitement électronique du signal, incluant un modèle précis du bruit. Les paramètres de sortie du simulateur sont, pour une source et une géométrie données, le spectre énergétique et le spectre biparamétrique (temps de montée du signal en fonction de son amplitude). La validation effectuée sur chacune des parties du simulateur, de ces phénomènes mais aussi sur le simulateur pris dans son intégralité nous conforte dans notre choix de modèles et sur la fiabilité de notre mise en œuvre.