WO2017013617A1 - Ionising-particle detector based on commercial cmos image sensors and method for detecting ionising particles - Google Patents

Ionising-particle detector based on commercial cmos image sensors and method for detecting ionising particles Download PDF

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WO2017013617A1
WO2017013617A1 PCT/IB2016/054352 IB2016054352W WO2017013617A1 WO 2017013617 A1 WO2017013617 A1 WO 2017013617A1 IB 2016054352 W IB2016054352 W IB 2016054352W WO 2017013617 A1 WO2017013617 A1 WO 2017013617A1
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threshold
average value
images
image
particle
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Application number
PCT/IB2016/054352
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Spanish (es)
French (fr)
Inventor
Mariano BERISSO GOMEZ
Juan Jerónimo BLOSTEIN
José LIPOVETZKY
Hernán PASTORIZA
Martín PEREZ
Iván Pedro SIDELNIK
Miguel SOFO HARO
Original Assignee
Inis Biotech Llc
Consejo Nacional De Investigaciones Cientificas Y Tecnicas (Conicet)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors

Definitions

  • the present invention relates to an ionizing particle detector and a method for detecting ionizing particles using CMOS image sensors based on Active Pixel Sensors (APS), and can be used in radiation protection, medicine with applications in radiotherapy or radiodiagnosis, instrumentation in pharmacology, clinical analysis, metallurgical industry, security (customs, borders, public places), environmental protection (pollution detection, emission of facilities using ionizing radiation), and space applications.
  • APS Active Pixel Sensors
  • CMOS image sensors have been created for visible light detection, and are widely used to obtain images in low-cost cameras on embedded systems such as cell phones, portable cameras, and video systems.
  • APS can be manufactured in the same class of processes as CMOS digital circuits, the manufacturing cost in large quantities is very low.
  • APS sensors are designed to detect visible light, it has been found that they are also sensitive to ionizing particles.
  • the charge deposited by a high energy particle when interacting with the detector is captured by the inverse joints of the active areas in the pixel, resulting in a voltage reading in one or Several contiguous pixels.
  • the detection of ionizing particles using these cameras presents difficulties related to fixed pattern noise (FPN).
  • FPN is the signal that can be read on the image sensor when there is no incident or visible or ionizing radiation. Ideally, this reading should be null. But by the random generation of load in the inverse joints due to defects in the pixels signals are read even if no particles are affected on the sensor.
  • the sensors manufactured ad-hoc to detect ionizing radiation are therefore much more expensive than the image sensors for visible light manufactured in larger volumes for the consumer electronics market.
  • the technique allows to use, unlike the references mentioned above, any CMOS image sensor based on APS to detect ionizing particles, with a very low number of false detections caused by the FPN.
  • FPN fixed pattern noise elimination
  • the senor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
  • an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause the fixed pattern noise.
  • the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
  • the estimation of the average value of at least one of the above images is the previous image.
  • the estimation of the average value of at least one of the above images are values that exceed a threshold of the previous image.
  • the incidence of a particle to be detected is identified when one or more adjacent pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
  • said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections.
  • by adding the readings of the adjacent pixels, and comparing that value with values obtained in a previous calibration it is determined what type of particle or radiation was detected.
  • FPN fixed pattern noise
  • the senor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
  • an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause pattern noise permanent.
  • the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
  • the estimation of the average value of at least one of the above images is the previous image.
  • the estimation of the average value of at least one of the above images are values that exceed a threshold of the previous image.
  • the incidence of a particle to be detected is then identified when one or more contiguous pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
  • said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections.
  • Figure 1 shows a simplified scheme of the blocks of the proposed detector
  • Figure 2 illustrates the FPN problem, and represents the values read in the pixels of a sensor not exposed to either radiation or light;
  • Figure 3 shows the result of applying the FPN suppression process and the readings that are obtained when two events occur in one place of the chamber
  • Figure 4 shows histograms of total charge collected at events produced by different radiation sources
  • Figure 5 shows a photo of a simple implementation of a prototype detection system, formed by a video camera based on a detector CMOS APS and an image acquisition system and a computer for data acquisition;
  • Figure 6 is an irradiation graph illustrating the example of use as a portable dosimeter with a resolution of some micrograys.
  • Figure 7 shows an embodiment that allows the detector to be built in a smaller size, lower cost and very low consumption.
  • the system is composed of a CMOS image sensor, from which images are taken periodically and are generally obtained digitized.
  • the data is received by an image processing unit, which applies the elimination of the FPN, detects contiguous pixels with values above the threshold, calculates the generated load, and emits as a result the amount of total load.
  • the read values have a non-zero average value, and many pixels show high values.
  • the application of the FPN reduction method brings the average values to zero, so that any reading above a certain threshold, chosen some standard deviations of the noise above zero, will most likely be the result of an event caused by an incident ionizing particle .
  • Figure 7 shows another possible implementation that allows the detector to be built in a smaller size, lower cost and very low consumption.
  • the sensor output is processed in an FPGA (Field Programmable Gate Array) or a microcontroller or microprocessor, where FPN suppression is applied by hardware and processes the image to detect events.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the occurrence of events is reported on a display (for example in events per second or dose rate), or transmitted digitally to other equipment or parts of a larger system.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the camera of this particular implementation contains a CMOS image sensor.
  • the proposed detector key is in the art to eliminate the FPN shown in Figure 2.
  • the technique consists in obscuring the sensor with the addition or deposition of an opaque layer either directly on the sensor or encapsulating it in a closed box or enclosure with Thick walls thin enough to allow the passage of the particles to be detected. Then, the image generated by the detector is taken with an electronic system, and digitized by eliminating an estimate of the average value of the FPN.
  • Iprom [n] Iprom [n - 1] * (1 - a) + I acts i * a (1)
  • Ilimpial [n] Iactual [n] - Iprom [n]. (2) Any other form of estimation of the average value of the FPN is sufficient for the application of the proposed technique. Some possibilities but not necessarily all are to compare with the previous reading or only compare with the values of the previous reading that exceed a threshold.
  • the technique also allows distinguishing between different types of incident particles. To do this, you must add the total charge deposited on the adjacent pixels that has proven to be different for particles with different stopping power. By means of a calibration it is possible to partially determine which particle affected through its braking power. Then, by adding the charge collected in each event, the braking power of the particle is determined from a threshold and it is inferred what type of particle may have affected.
  • FIG. 7 Another implementation of the detector is shown in Figure 7, in which the reading of the CMOS APS image sensor is performed using an FPGA or a microprocessor.
  • the FPGA or processor the method described above is applied to mitigate FPN and the occurrence of each event and its position on the sensor is determined. Due to the low cost, and potential low consumption of the system formed by the CMOS camera and the FPGA, the power required to operate the system is small enough to build a portable detector, powered by a small battery, which allows continued use for up to several days. This will allow it to be used for example as a portable dosimeter for personal dosimetry, with its resolution of some micrograys as seen in the irradiation of Figure 6.

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Abstract

Disclosed is an ionising-particle detector which uses, for detection, a CMOS image sensor based on active-pixel sensors, the detector comprising a CMOS image sensor and an image processing unit, wherein the image processing unit eliminates fixed pattern noise (FPN), detects contiguous pixels with values above the threshold, calculates the charge generated, and emits the quantity of total charge as a result. The particle detector is based on an FPN-resistant technique. The technique allows any APS-based CMOS image sensor to be used to detect ionising particles, with a very low number of false detections caused by FPN.

Description

DETECTOR DE PARTÍCULAS IONIZANTES BASADO EN SENSORES DE IMAGEN CMOS COMERCIALES Y MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE IONIZING PARTICLE DETECTOR BASED ON COMMERCIAL CMOS IMAGE SENSORS AND METHOD FOR DETECTION OF
PARTÍCULAS IONIZANTES IONIZING PARTICLES
CAMPO DE LA INVENCIÓN FIELD OF THE INVENTION
La presente invención se refiere a un detector de partículas ionizantes y un método para detectar partículas ionizantes que utiliza sensores de imagen CMOS basados en Sensores de Pixeles Activos (APS por sus siglas en inglés), y puede ser usado en radioprotección, medicina con aplicaciones en radioterapia o radiodiagnósito, instrumentación en farmacología, análisis clínicos, industria metalúrgica, seguridad (aduanas, fronteras, lugares públicos), protección del medioambiente (detección de contaminación, emisión de instalaciones que usen radiación ionizante), y aplicaciones espaciales.  The present invention relates to an ionizing particle detector and a method for detecting ionizing particles using CMOS image sensors based on Active Pixel Sensors (APS), and can be used in radiation protection, medicine with applications in radiotherapy or radiodiagnosis, instrumentation in pharmacology, clinical analysis, metallurgical industry, security (customs, borders, public places), environmental protection (pollution detection, emission of facilities using ionizing radiation), and space applications.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
Los sensores de imagen CMOS basados en APS han sido creados para detección de luz visible, y son ampliamente utilizados en la obtención de imágenes en cámaras de bajo costo en sistemas embebidos como celulares, cámaras portátiles, y sistemas de video. Como los APS pueden fabricarse en la misma clase de procesos que los circuitos digitales CMOS, el costo de fabricación en grandes cantidades es muy bajo.  APS-based CMOS image sensors have been created for visible light detection, and are widely used to obtain images in low-cost cameras on embedded systems such as cell phones, portable cameras, and video systems. As APS can be manufactured in the same class of processes as CMOS digital circuits, the manufacturing cost in large quantities is very low.
Si bien los sensores APS están diseñados para detectar luz visible, se ha encontrado que son también sensibles a partículas ionizantes. La carga depositada por una partícula de alta energía al interactuar con el detector es capturada por las junturas en inversa de las áreas activas en el píxel, dando lugar a una lectura en tensión en uno o varios píxeles contiguos. La detección de partículas ionizantes usando estas cámaras presenta dificultades relacionadas con el ruido de patrón fijo (FPN). El FPN es la señal que puede leerse en el sensor de imagen cuando no incide ningún tipo de radiación incidente, ni visible ni ionizante. Idealmente, esta lectura debería ser nula. Pero por la generación aleatoria de carga en las junturas de inversa debida a defectos en los píxeles se leen señales incluso aunque no incidan partículas sobre el sensor. Algunos píxeles defectuosos siempre presentes en los sensores pueden dar lecturas superiores a las que generan partículas incidentes, lo cual podría generar la falsa detección de una partícula (falsos positivos). Debido a que el FPN se modifica con la temperatura y aumenta con la dosis total absorbida por el sensor, es decir con su uso, es preciso usar técnicas dinámicas que permitan mitigar este problema que en definitiva da lugar a una cantidad errónea de cuentas. While APS sensors are designed to detect visible light, it has been found that they are also sensitive to ionizing particles. The charge deposited by a high energy particle when interacting with the detector is captured by the inverse joints of the active areas in the pixel, resulting in a voltage reading in one or Several contiguous pixels. The detection of ionizing particles using these cameras presents difficulties related to fixed pattern noise (FPN). The FPN is the signal that can be read on the image sensor when there is no incident or visible or ionizing radiation. Ideally, this reading should be null. But by the random generation of load in the inverse joints due to defects in the pixels signals are read even if no particles are affected on the sensor. Some defective pixels always present in the sensors can give higher readings than those that generate incident particles, which could lead to the false detection of a particle (false positives). Because the FPN changes with temperature and increases with the total dose absorbed by the sensor, that is, with its use, it is necessary to use dynamic techniques to mitigate this problem that ultimately results in an erroneous amount of accounts.
En el pasado, existieron desarrollos de sensores de imagen basados en APS para detectar radiación ionizante que, en lugar de usar chips normales fabricados para detectar luz visible, hacían chips especialmente diseñados para radiación ionizante [2], [3], [4]. A diferencia de las cámaras diseñadas para luz visible usaban técnicas especiales en el chip para mitigar efectos como el FPN. Además, algunas de ellas buscaban alta resolución temporal [3], o tener un factor de llenado alto [4].  In the past, there were developments of APS-based image sensors to detect ionizing radiation that, instead of using normal chips manufactured to detect visible light, made chips specially designed for ionizing radiation [2], [3], [4]. Unlike cameras designed for visible light, they used special techniques on the chip to mitigate effects such as FPN. In addition, some of them sought high temporal resolution [3], or have a high fill factor [4].
Otro ejemplo de circuitos integrados fabricados ad-hoc para detectar radiación ionizante es el de la patente US 2013/0256542 a nombre de Luxen Technologies, Inc., que reclama un circuito integrado ad-hoc en que cada pixel tiene autoganancia y umbral de disparo para la detección de partículas ionizantes. Dicha patente lidia con el problema del FPN mediante dichos circuitos de autoganancia y umbral integrados en cada píxel, lo que reduce el área activa y factor de llenado del detector. A diferencia de dicha patente de Luxen Technologies, en la presente, se propone usar un procesamiento numérico para eliminar problemas asociados al FPN que puede hacerse fuera del chip sensor de imágenes. De esa manera, no es necesario fabricar un sensor ad-hoc. Another example of integrated circuits manufactured ad-hoc to detect ionizing radiation is that of US 2013/0256542 in the name of Luxen Technologies, Inc., which claims an ad-hoc integrated circuit in which each pixel has self-monitoring and trigger threshold for the detection of ionizing particles. Said patent deals with the problem of the FPN by means of said integrated autoganance and threshold circuits in each pixel, which reduces the active area and filling factor of the detector. Unlike said Luxen Technologies patent, herein, it is proposes to use a numerical processing to eliminate problems associated with the FPN that can be done outside the image sensor chip. In that way, it is not necessary to manufacture an ad-hoc sensor.
Lo sensores fabricados ad-hoc para detectar radiación ionizante son por lo tanto mucho más caros que los sensores de imagen para luz visible fabricados en mayores volúmenes para el mercado de electrónica de consumo.  The sensors manufactured ad-hoc to detect ionizing radiation are therefore much more expensive than the image sensors for visible light manufactured in larger volumes for the consumer electronics market.
Respecto a otros tipos de detectores de partículas ionizantes de alta energía, dado que el consumo de energía de los sensores basados en APS es bastante bajo—en el orden de milliwatts-- y su bajo costo, es posible utilizarlos para construir un detector portátil embebido accesible. En cambio los detectores de tradicionales basados en cámaras de ionización o tubos Geiger, o materiales de centelleo acoplados a tubos fotomultiplicadores son generalmente costosos, voluminosos y pueden requerir consumos de potencia más elevados. RESUMEN DE LA INVENCIÓN  Regarding other types of high-energy ionizing particle detectors, since the energy consumption of APS-based sensors is quite low - in the order of milliwatts - and their low cost, it is possible to use them to build an embedded portable detector accessible. In contrast, traditional detectors based on ionization chambers or Geiger tubes, or scintillation materials coupled to photomultiplier tubes are generally expensive, bulky and may require higher power consumption. SUMMARY OF THE INVENTION
Es entonces un objeto de la presente invención proveer un detector de partículas basado en una técnica inmune al FPN. La técnica permite usar, a diferencia de las referencias mencionadas anteriormente, cualquier sensor de imágenes CMOS basado en APS para detectar partículas ionizantes, con un muy bajo número de detecciones falsas causado por el FPN.  It is then an object of the present invention to provide a particle detector based on a technique immune to FPN. The technique allows to use, unlike the references mentioned above, any CMOS image sensor based on APS to detect ionizing particles, with a very low number of false detections caused by the FPN.
Es por lo tanto un objeto de la presente invención proveer un detector de partículas ionizantes que utiliza para la detección un sensor de imágenes CMOS basado en sensores de pixeles activos, en donde el detector comprende un sensor de imagen CMOS, una unidad de procesamiento de imágenes, en donde dicha unidad aplica la eliminación de ruido de patrón fijo (FPN), detecta píxeles contiguos con valores por encima del umbral, calcula la carga generada, y emite como resultado la cantidad de carga total. It is therefore an object of the present invention to provide an ionizing particle detector that uses a CMOS image sensor based on active pixel sensors for detection, wherein the detector comprises a CMOS image sensor, an image processing unit , wherein said unit applies fixed pattern noise elimination (FPN), detects contiguous pixels with values per Above the threshold, calculate the load generated, and output as a result the total load amount.
En una forma de realización preferida de la presente invención, el sensor es un sensor CMOS basado en sensores de pixeles activos para la detección de radiación visible.  In a preferred embodiment of the present invention, the sensor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
En una forma de realización preferida de la presente invención, para cada imagen leída en el sensor de imágenes CMOS, se le resta una estimación de un valor medio de al menos una de las imágenes leídas anteriores con el objeto de disminuir errores que pudiera causar el ruido de patrón fijo.  In a preferred embodiment of the present invention, for each image read on the CMOS image sensor, an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause the fixed pattern noise.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes se obtiene con un filtro recursivo o autoregresivo.  In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores es la imagen anterior.  In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the above images is the previous image.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores son los valores que superan un umbral de la imagen anterior.  In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the above images are values that exceed a threshold of the previous image.
En una forma de realización preferida de la presente invención, se identifica la incidencia de una partícula a detectar cuando uno o varios pixeles contiguos arrojan una medición superior a el umbral que puede ser seleccionado por un usuario.  In a preferred embodiment of the present invention, the incidence of a particle to be detected is identified when one or more adjacent pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
En una forma de realización preferida de la presente invención, dicho umbral se elige estadísticamente lo suficientemente alto como para tener un número bajo de falsas detecciones. En una forma de realización preferida de la presente invención, sumando las lecturas de los píxeles contiguos, y comparando ese valor con valores obtenidos en una calibración previa, se determina qué tipo de partícula o radiación fue detectada. In a preferred embodiment of the present invention, said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections. In a preferred embodiment of the present invention, by adding the readings of the adjacent pixels, and comparing that value with values obtained in a previous calibration, it is determined what type of particle or radiation was detected.
Adicionalmente, es otro objeto de la presente invención proveer un método para detectar partículas ionizantes, que emplea un sensor de imagen y una unidad de procesamiento de imágenes, donde dicho método comprende eliminar un ruido de patrón fijo (FPN), detectar píxeles contiguos con valores por encima de un umbral, calcular una carga generada, y emitir como resultado una cantidad de carga total. Additionally, it is another object of the present invention to provide a method for detecting ionizing particles, which employs an image sensor and an image processing unit, wherein said method comprises eliminating a fixed pattern noise (FPN), detecting contiguous pixels with values Above a threshold, calculate a generated charge, and issue as a result a total load amount.
En una forma de realización preferida de la presente invención, el sensor es un sensor CMOS basado en sensores de pixeles activos para la detección de radiación visible.  In a preferred embodiment of the present invention, the sensor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
En una forma de realización preferida de la presente invención, para cada imagen leída en el sensor, se le resta una estimación de un valor medio de al menos una de las imágenes leídas anteriores con el objeto de disminuir errores que pudiera causar el ruido de patrón fijo.  In a preferred embodiment of the present invention, for each image read on the sensor, an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause pattern noise permanent.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes se obtiene con un filtro recursivo o autoregresivo.  In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores es la imagen anterior.  In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the above images is the previous image.
En una forma de realización preferida de la presente invención, la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores son los valores que superan un umbral de la imagen anterior. En una forma de realización preferida de la presente invención, luego se identifica la incidencia de una partícula a detectar cuando uno o varios píxeles contiguos arroja una medición superior a el umbral que puede ser seleccionado por un usuario. In a preferred embodiment of the present invention, the estimation of the average value of at least one of the above images are values that exceed a threshold of the previous image. In a preferred embodiment of the present invention, the incidence of a particle to be detected is then identified when one or more contiguous pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
En una forma de realización preferida de la presente invención, dicho umbral se elige estadísticamente lo suficientemente alto como para tener un número bajo de falsas detecciones.  In a preferred embodiment of the present invention, said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections.
En una forma de realización preferida de la presente invención, sumando las lecturas de los píxeles contiguos, y comparando ese valor con valores obtenidos en una calibración previa, se determina qué tipo de partícula o radiación fue detectada.  In a preferred embodiment of the present invention, by adding the readings of the adjacent pixels, and comparing that value with values obtained in a previous calibration, it is determined what type of particle or radiation was detected.
DESCRIPCION DE LOS DIBUIOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para mayor claridad y comprensión del objeto de la presente invención, se lo ha ilustrado en varias figuras, en las que se ha representado el mismo en una de las formas preferidas de realización, todo a título de ejemplo, en donde:  For greater clarity and understanding of the object of the present invention, it has been illustrated in several figures, in which it has been represented in one of the preferred embodiments, all by way of example, where:
La figura 1 muestra un esquema simplificado de los bloques del detector propuesto;  Figure 1 shows a simplified scheme of the blocks of the proposed detector;
La Figura 2 ilustra el problema del FPN, y representa los valores leídos en los píxeles de un sensor no expuesto ni a radiación ni a luz;  Figure 2 illustrates the FPN problem, and represents the values read in the pixels of a sensor not exposed to either radiation or light;
La Figura 3 muestra el resultado de aplicar el proceso de supresión de FPN y las lecturas que se obtienen cuando dos eventos ocurren en un lugar de la cámara;  Figure 3 shows the result of applying the FPN suppression process and the readings that are obtained when two events occur in one place of the chamber;
La Figura 4 muestra histogramas de carga total colectada en eventos producidos por diferentes fuentes de radiación;  Figure 4 shows histograms of total charge collected at events produced by different radiation sources;
La Figura 5 muestra una foto de una implementación simple de un prototipo del sistema de detección, formada por una cámara de video basada en un detector CMOS APS y un sistema de adquisición de imágenes y una computadora para la adquisición de datos; Figure 5 shows a photo of a simple implementation of a prototype detection system, formed by a video camera based on a detector CMOS APS and an image acquisition system and a computer for data acquisition;
La Figura 6 es un gráfico de irradiación que ilustra el ejemplo de uso como un dosímetro portátil con una resolución de algunos micrograys.  Figure 6 is an irradiation graph illustrating the example of use as a portable dosimeter with a resolution of some micrograys.
La Figura 7 muestra un ejemplo de realización que permite construir al detector en un menor tamaño, menor costo y muy bajo consumo.  Figure 7 shows an embodiment that allows the detector to be built in a smaller size, lower cost and very low consumption.
DESCRIPCION DETALLADA DEL EIEMPLO DE REALIZACION DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT OF EMBODIMENT
Haciendo referencia a la figura 1, se muestra un esquema simplificado de los bloques del detector propuesto. El sistema está compuesto por un sensor de imagen CMOS, del que se toman periódicamente imágenes y se obtienen generalmente digitalizadas. Los datos son recibidos por una unidad de procesamiento de imágenes, que aplica la eliminación del FPN, detecta píxeles contiguos con valores por encima del umbral, calcula la carga generada, y emite como resultado la cantidad de carga total.  Referring to Figure 1, a simplified scheme of the proposed detector blocks is shown. The system is composed of a CMOS image sensor, from which images are taken periodically and are generally obtained digitized. The data is received by an image processing unit, which applies the elimination of the FPN, detects contiguous pixels with values above the threshold, calculates the generated load, and emits as a result the amount of total load.
Como se observa en la figura 2, los valores leídos tienen un valor medio diferente a cero, y muchos píxeles arrojan valores elevados. La aplicación del método de reducción de FPN lleva los valores medios a cero, de manera que cualquier lectura por encima de cierto umbral, elegido algunos desvíos estándar del ruido por encima de cero, será muy probablemente resultado de un evento causado por una partícula ionizante incidente.  As seen in Figure 2, the read values have a non-zero average value, and many pixels show high values. The application of the FPN reduction method brings the average values to zero, so that any reading above a certain threshold, chosen some standard deviations of the noise above zero, will most likely be the result of an event caused by an incident ionizing particle .
Haciendo referencia a la figura 3, claramente se aprecian dos grupos de píxeles contiguos en los que la lectura de carga colectada es muy superior al ruido. Sumando la carga leída en cada región se puede tener una estimación del tipo de partícula incidente. En la figura superior de la figura 4, se muestra la irradiación con Uranio-235 y Americio-241 que emiten fotones de decenas de keV y partículas alfa de varios MeV. El gráfico inferior muestra el resultado de irradiar el sensor con diferentes fotones, que generan electrones por efecto fotoeléctrico o Compton, o partículas beta (electrones de alta energía). Se observa que en la figura superior hay un conjunto de eventos con carga total mayor a 1500 (en unidades arbitrarias) que no se observa en la figura inferior. Ello ocurre ya que las partículas alfa, presentes en las irradiaciones de la figura superior poseen un poder de frenado mayor al de los electrones Compton, fotoeléctricos o Beta y por lo tanto depositan más carga por unidad de penetración. Mediante el análisis de cuánta carga depositan es posible determinar si se trató de partículas de bajo poder de frenado o alto poder de frenado. Referring to Figure 3, two groups of contiguous pixels can clearly be seen in which the collected load reading is much higher than the noise. Adding the load read in each region you can have an estimate of the type of incident particle. In the upper figure of Figure 4, irradiation is shown with Uranium-235 and Americium-241 emitting photons of tens of keV and alpha particles of several MeV. The graph below shows the result of irradiating the sensor with different photons, which generate electrons by photoelectric effect or Compton, or beta particles (high energy electrons). It is observed that in the upper figure there is a set of events with a total load greater than 1500 (in arbitrary units) that is not observed in the lower figure. This occurs since the alpha particles, present in the irradiations of the upper figure have a braking power greater than that of Compton, photoelectric or Beta electrons and therefore deposit more charge per penetration unit. By analyzing how much load they deposit, it is possible to determine whether they were particles with low braking power or high braking power.
Con el sistema de la Figura 5 se midió la cantidad de cuentas por segundo que se detectan durante el encendido de un reactor nuclear de investigación (RA6 en el Centro Atómico Bariloche). Se puede ver que la cantidad de eventos detectados por segundo es proporcional a la potencia del reactor, proporcional al flujo de partículas detectado.  With the system of Figure 5, the number of counts per second detected during the ignition of a nuclear research reactor (RA6 at the Bariloche Atomic Center) was measured. It can be seen that the amount of events detected per second is proportional to the power of the reactor, proportional to the flow of particles detected.
La Figura 7 muestra otra posible implementación que permite construir al detector en un menor tamaño, menor costo y muy bajo consumo. La salida del sensor es procesada en una FPGA (Field Programmable Gate Array) o un microcontrolador o microprocesador, donde se aplica por hardware la supresión de FPN y procesa la imagen para detectar los eventos. La ocurrencia de eventos se informa en un display (por ejemplo en eventos por segundo o tasa de dosis), o se transmite digitalmente a otros equipos o partes de un sistema mayor.  Figure 7 shows another possible implementation that allows the detector to be built in a smaller size, lower cost and very low consumption. The sensor output is processed in an FPGA (Field Programmable Gate Array) or a microcontroller or microprocessor, where FPN suppression is applied by hardware and processes the image to detect events. The occurrence of events is reported on a display (for example in events per second or dose rate), or transmitted digitally to other equipment or parts of a larger system.
Tal como se puede apreciar, se presentan dos formas de llevar a cabo la implementación. La primera es la de la Figura 5. Se utiliza un detector de imagen CMOS basado en APS obtenido en una cámara de vigilancia de bajo costo. La salida de la cámara es leída por un adquisidor de video que transmite los datos por USB a una computadora donde se implementa el método de mitigación de FPN. La cámara de esta implementación particular contiene un sensor de imagen CMOS. As can be seen, two ways of carrying out the implementation are presented. The first is that of Figure 5. An image detector is used CMOS based on APS obtained in a low cost surveillance camera. The camera's output is read by a video acquirer that transmits the data via USB to a computer where the FPN mitigation method is implemented. The camera of this particular implementation contains a CMOS image sensor.
La clave del detector propuesto está en la técnica para eliminar el FPN mostrado en la Figura 2. La técnica consiste en oscurecer el sensor con el agregado o deposición de una capa opaca ya sea directamente sobre el sensor o encapsulándola en una caja o recinto cerrado con paredes de espesor lo suficientemente delgado como para permitir el paso de las partículas a detectar. Luego, se toma la imagen generada por el detector con un sistema electrónico, y se la digitaliza eliminando una estimación del valor promedio del FPN.  The proposed detector key is in the art to eliminate the FPN shown in Figure 2. The technique consists in obscuring the sensor with the addition or deposition of an opaque layer either directly on the sensor or encapsulating it in a closed box or enclosure with Thick walls thin enough to allow the passage of the particles to be detected. Then, the image generated by the detector is taken with an electronic system, and digitized by eliminating an estimate of the average value of the FPN.
Una forma de eliminar esta componente indeseada consiste en, a la imagen obtenida (que conforma en una matriz de números Iactuai[n]) restarle un valor de cambio lento Iprom[n] de manera que quede una señal sin FPN Iiimpiai [n], actualizándose el valor de cambio lento a partir de su valor anterior IProm[n-l], según las ecuaciones: One way to eliminate this unwanted component consists in subtracting a slow change value Iprom [n] from the image obtained (which forms a matrix of numbers I to ctuai [n]] so that a signal is left without FPN Iiimpiai [n ], updating the slow change value from its previous value I P rom [nl], according to the equations:
Iprom[n] = Iprom[n - 1] * (1 - a) + Iactuai * a (1) Ilimpial [n] = Iactual [n] - Iprom [n] . (2) Cualquier otra forma de estimación del valor medio del FPN es suficiente para la aplicación de la técnica propuesta. Algunas posibilidades pero no necesariamente todas son comparar con la lectura previa o sólo comparar con los valores de la lectura previa que superen un umbral. Iprom [n] = Iprom [n - 1] * (1 - a) + I acts i * a (1) Ilimpial [n] = Iactual [n] - Iprom [n]. (2) Any other form of estimation of the average value of the FPN is sufficient for the application of the proposed technique. Some possibilities but not necessarily all are to compare with the previous reading or only compare with the values of the previous reading that exceed a threshold.
Cuando una partícula ionizante interactúa con el chip, se obtienen las lecturas que una vez procesadas tienen características mostradas en la Figura 3. Una vez removido el valor medio del FPN, se considera que cualquier conjunto de píxeles contiguos con valores por encima de un umbral mayor a 1/a es causado por una partícula incidente. Al sustraer el FPN se elimina también todo valor medio sumado durante las etapas de amplificación y conversión. When an ionizing particle interacts with the chip, the readings that once processed have characteristics shown in Figure 3 are obtained. Once With the average value of the FPN removed, any set of contiguous pixels with values above a threshold greater than 1 / a is considered to be caused by an incident particle. Subtracting the FPN also eliminates any average value added during the amplification and conversion stages.
La técnica permite además distinguir entre diferentes tipos de partícula incidente. Para hacerlo, se debe sumar la carga total depositada en los píxeles contiguos que ha demostrado ser diferente para partículas con distinto poder de frenado. Mediante una calibración es posible determinar parcialmente qué partícula incidió a través de su poder de frenado. Entonces, mediante la suma de la carga colectada en cada evento, se determina a partir de un umbral aproximadamente el poder de frenado de la partícula y se infiere qué tipo de partícula puede haber incidido.  The technique also allows distinguishing between different types of incident particles. To do this, you must add the total charge deposited on the adjacent pixels that has proven to be different for particles with different stopping power. By means of a calibration it is possible to partially determine which particle affected through its braking power. Then, by adding the charge collected in each event, the braking power of the particle is determined from a threshold and it is inferred what type of particle may have affected.
Otra implementación del detector es mostrada en la Figura 7, en la cual la lectura del sensor de imágenes CMOS APS se realiza usando una FPGA o un microprocesador. En la FPGA o el procesador se aplican el método descripto líneas arriba para mitigar FPN y se determina la ocurrencia de cada evento y su posición sobre el sensor. Debido al bajo costo, y potencial bajo consumo del sistema formado por la cámara CMOS y la FPGA, la potencia requerida para hacer funcionar al sistema es lo suficientemente pequeña como para construir un detector portátil, alimentado con una batería pequeña, que permita su uso continuado durante hasta varios días. Ello permitirá usarlo por ejemplo como dosímetro portátil para dosimetría personal, siendo su resolución de algunos micrograys según se vio en la irradiación de la Figura 6.  Another implementation of the detector is shown in Figure 7, in which the reading of the CMOS APS image sensor is performed using an FPGA or a microprocessor. In the FPGA or processor, the method described above is applied to mitigate FPN and the occurrence of each event and its position on the sensor is determined. Due to the low cost, and potential low consumption of the system formed by the CMOS camera and the FPGA, the power required to operate the system is small enough to build a portable detector, powered by a small battery, which allows continued use for up to several days. This will allow it to be used for example as a portable dosimeter for personal dosimetry, with its resolution of some micrograys as seen in the irradiation of Figure 6.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un detector de partículas ionizantes, que comprende un sensor de imagen CMOS y una unidad de procesamiento de imágenes para la eliminación de ruido de patrón fijo (FPN), detección de píxeles contiguos con valores por encima de un umbral, cálculo de carga generada, y emisión de la cantidad de carga total como resultado.  1. An ionizing particle detector, comprising a CMOS image sensor and an image processing unit for the elimination of fixed pattern noise (FPN), detection of contiguous pixels with values above a threshold, calculation of generated charge , and issuance of the total charge amount as a result.
2. El detector de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sensor es un sensor CMOS basado en sensores de pixeles activos para la detección de radiación visible. 2. The detector according to claim 1, wherein the sensor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
3. El detector de acuerdo con la reivindicación 1, en donde para cada imagen leída en el sensor de imágenes CMOS, se le resta una estimación de un valor medio de al menos una de las imágenes leídas anteriores con el objeto de disminuir errores que pudiera causar el ruido de patrón fijo. 3. The detector according to claim 1, wherein for each image read on the CMOS image sensor, an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause fixed pattern noise.
4. El detector de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes se obtiene con un filtro recursivo o autoregresivo. 4. The detector according to claim 3, wherein the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
5. El detector de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores es la imagen anterior. 5. The detector according to claim 3, wherein the estimation of the average value of at least one of the previous images is the previous image.
6. El detector de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores son los valores que superan un umbral de la imagen anterior. 6. The detector according to claim 3, wherein the estimation of the average value of at least one of the previous images is the values that exceed a threshold of the previous image.
7. El detector de acuerdo con la reivindicación 1, en donde se identifica la incidencia de una partícula a detectar cuando uno o varios píxeles contiguos arrojan una medición superior a el umbral que puede ser seleccionado por un usuario. 7. The detector according to claim 1, wherein the incidence of a particle to be detected is identified when one or more adjacent pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
8. El detector de acuerdo con la reivindicación 7, en donde dicho umbral se elige estadísticamente lo suficientemente alto como para tener un número bajo de falsas detecciones. 8. The detector according to claim 7, wherein said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections.
9. El detector de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde sumando las lecturas de los píxeles contiguos, y comparando ese valor con valores obtenidos en una calibración previa, se determina qué tipo de partícula o radiación fue detectada. 9. The detector according to any one of the preceding claims, wherein by adding the readings of the adjacent pixels, and comparing that value with values obtained in a previous calibration, it is determined what type of particle or radiation was detected.
10. Un método para detectar partículas ionizantes, que emplea un sensor de imagen y una unidad de procesamiento de imágenes, donde dicho método comprende eliminar un ruido de patrón fijo (FPN), detectar píxeles contiguos con valores por encima de un umbral, calcular una carga generada, y emitir como resultado una cantidad de carga total. 10. A method for detecting ionizing particles, which employs an image sensor and an image processing unit, wherein said method comprises eliminating a fixed pattern noise (FPN), detecting contiguous pixels with values above a threshold, calculating a generated load, and emit as a result a total load amount.
11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el sensor es un sensor CMOS basado en sensores de pixeles activos para la detección de radiación visible. 11. The method according to claim 10, wherein the sensor is a CMOS sensor based on active pixel sensors for the detection of visible radiation.
12. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde para cada imagen leída en el sensor, se le resta una estimación de un valor medio de al menos una de las imágenes leídas anteriores con el objeto de disminuir errores que pudiera causar el ruido de patrón fijo. 12. The method according to claim 10, wherein for each image read on the sensor, an estimate of an average value of at least one of the images read above is subtracted in order to reduce errors that could cause noise of fixed pattern.
13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes se obtiene con un filtro recursivo o autoregresivo. 13. The method according to claim 12, wherein the estimation of the average value of at least one of the images is obtained with a recursive or autoregressive filter.
14. El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores es la imagen anterior. 14. The method according to claim 12, wherein the estimation of the average value of at least one of the above images is the previous image.
15. El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la estimación del valor medio de al menos una de las imágenes anteriores son los valores que superan un umbral de la imagen anterior. 15. The method according to claim 12, wherein the estimation of the average value of at least one of the above images is values that exceed a threshold of the previous image.
16. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde luego se identifica la incidencia de una partícula a detectar cuando uno o varios píxeles contiguos arroja una medición superior a el umbral que puede ser seleccionado por un usuario. 16. The method according to claim 10, wherein the incidence of a particle to be detected is then identified when one or more contiguous pixels yield a measurement greater than the threshold that can be selected by a user.
17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, en donde dicho umbral se elige estadísticamente lo suficientemente alto como para tener un número bajo de falsas detecciones. 17. The method according to claim 16, wherein said threshold is chosen statistically high enough to have a low number of false detections.
18. El método de acuerdo una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 17, en donde sumando las lecturas de los píxeles contiguos, y comparando ese valor con valores obtenidos en una calibración previa, se determina qué tipo de partícula o radiación fue detectada. 18. The method according to any one of claims 10 to 17, wherein adding the readings of the adjacent pixels, and comparing that value with values obtained in a previous calibration, determines what type of particle or radiation was detected.
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