Doctor en Ingeniería en Río Negro creó detectores de radiación con sensores de celulares

 

El doctor en Ciencias de la Ingeniería Martín Pérez compartió la experiencia de haber hecho su tesis en el Instituto Balseiro (Río Negro) y contó detalles sobre la investigación que realizó en el grupo de Dispositivos y Sensores del Centro Atómico Bariloche.

Pérez, de 39 años, es oriundo de Ituzaingó, pero vivió la mayor parte de su vida en Mar del Plata. Se recibió de Ingeniero en Electrónica en la Universidad Nacional de Mar del Plata en 2012 y luego se mudó a Bariloche para estudiar en el Instituto Balseiro, donde completó, en 2016, su Maestría en Ingeniería y en febrero de 2021 defendió su tesis de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería en esa institución.

Cuando estaba terminando su tesis de Maestría, recibió un premio en un Simposio del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE, por sus siglas en inglés) por los resultados de sus investigaciones. Ese mismo año, integró el equipo que obtuvo el primer premio en el concurso de planes de negocios de base tecnológica “IB50K”, en el cual, entre otros desarrollos, planteó aplicaciones dentro de la misma temática: la innovadora utilización de sensores de imagen CMOS para detectar distintos tipos de radiación ionizante.

Ese tipo de sensores se usan comúnmente en las cámaras digitales y los teléfonos celulares.

El ingeniero es un apasionado por la música, el cine y los viajes. Actualmente, desarrolla sus actividades como becario de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Allí sigue trabajando en el desarrollo de detectores de radiación y con diferentes detectores de neutrones, entre ellos detectores para asegurar la protección radiológica y aseguramiento de la calidad en tratamientos de radioterapia, continuando de esta manera con la línea de investigación de su tesis doctoral.

En esta entrevista cuenta de qué se trató su tesis de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, que realizó en el Instituto Balseiro, institución dependiente de la CNEA y la Universidad Nacional de Cuyo, con lugar de investigación en el Centro Atómico Bariloche. Para desarrollar su tesis doctoral recibió una beca doctoral del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y posteriormente también de la CNEA.

Su director fue el Dr. José Lipovetzky, investigador de la División Dispositivos y Sensores de la Gerencia de Física y su co-director fue el Dr. Jerónimo Blostein, investigador del Departamento de Física de Neutrones de la Gerencia de Ingeniería Nuclear, ambos del Centro Atómico Bariloche.

– ¿Podés contarnos de qué se trata tu tesis de Doctorado?

– El título de mi tesis es: “Desarrollo y aplicaciones de detectores de radiación basados en sensores de imagen CMOS Comerciales”. Básicamente, lo que hice en mi tesis doctoral es utilizar los sensores que usan nuestros teléfonos celulares para tomar fotografías y video, o sea, sensores de imagen CMOS comerciales, en diferentes aplicaciones que requieren la detección de radiación ionizante, es decir, la detección de radiación que tiene suficiente energía para “arrancarle” electrones a los átomos.

– ¿Cuál fue el objetivo de tu investigación?

-Lo que hicimos fue reemplazar detectores de radiación muy costosos y complicados por dispositivos económicos que, en algunos casos, tienen igual o mejor desempeño que los utilizados tradicionalmente. En mi tesis desarrollé cuatro aplicaciones para la detección de radiación ionizante basadas en sensores de imagen CMOS comerciales. La primera de estas aplicaciones es el desarrollo de detectores de neutrones basados en estos sensores cubiertos con compuestos a base de gadolinio. Los detectores de neutrones son utilizados en muchas aplicaciones científicas y también en la industria nuclear. También desarrollé un método para tomar neutrografías con alta resolución espacial usando sensores de imagen CMOS cubiertos con nanopartículas de floruro de gadolinio sodio.

– ¿Querés contar qué es la neutrografía?

– La neutrografía es una técnica similar a la radiografía, pero en la cual se utilizan neutrones en vez de rayos X, y con la que se pueden “ver” cosas que no es posible observar con radiografías convencionales.

– ¿Qué otros aspectos trabajaste con tu grupo en la investigación?

-También desarrollamos otro método que permite tomar imágenes neutrográficas multiespectrales de elementos con muy altos niveles de radioactividad. Esto lo hicimos mediante la activación de placas de indio y utilizando sensores de imagen CMOS para detectar las partículas beta que son emitidas luego de la activación de las mismas . Esto permite obtener imágenes de muestras que son altamente radiactivas, como por ejemplo, combustibles nucleares o elementos estructurales de reactores, y que, por su nivel de actividad, se encuentran aisladas dentro de las piletas de reactores nucleares de investigación. Por último, en el marco de mi tesis también desarrollé un método para la realización de espectroscopía de rayos X con sensores CMOS, es decir, para medir la energía de rayos X con este tipo de sensores. Esto tiene muchas aplicaciones en diferentes campos de la ciencia y de la tecnología.

– Martín, en septiembre de 2019 tomaron una imagen utilizando la técnica de neutrografía desarrollada en tu tesis, y se publicó hace poco un paper sobre esta novedad. ¿Querés contar cómo surgió la idea, cómo se implementó y por qué es algo tan novedoso?

– Los sensores de imagen CMOS con los que trabajamos poseen una muy buena resolución espacial, es decir, se pueden llegar a obtener imágenes con mucho detalle. Para poder detectar neutrones con este tipo de dispositivos es necesario recubrirlos con materiales que reaccionan con los neutrones como, por ejemplo, el gadolinio o el boro, y que luego de la reacción emiten partículas cargadas que se pueden ser detectadas con sensores semiconductores. En trabajos previos de nuestro grupo se utilizaron sensores de imagen semiconductores con tecnología CCD, que son más complejos y más caros que los sensores de imagen CMOS que utilicé en mi tesis, cubiertos con boro para detectar neutrones. Durante mi tesis continué con esa línea de investigación.

-¿Registraron una patente?

-En primer lugar, comencé a trabajar viendo si era posible detectar neutrones con sensores de imagen CMOS cubiertos con gadolinio. Una vez que comprobamos que esto es posible registramos una patente de invención y trabajamos en depositar capas de conversión de un espesor muy uniforme sobre la superficie de los sensores. Como resultado pudimos tomar neutrografías con una resolución espacial menor a 15 micrómetros, la cual es igual o mejor que la de los mejores detectores disponibles en la actualidad.

-¿Hicieron además como ejemplo una neutrografía del logo de la CNEA?

-Sí, como ejemplo de la capacidad de la técnica de detección de neutrones que desarrollamos generamos una neutrografía de un logotipo institucional de CNEA* (ver al final de la nota) de 4 mm de diámetro. Esto significa que, con nuestro método, en el que se utilizan sensores que cuestan sólo entre 10 y 20 dólares, podemos distinguir detalles de mucho menor tamaño que con los detectores tradicionalmente utilizados para esta aplicación que, en general, son mucho más caros y más complejos que el sistema que desarrollamos nosotros.

-¿Es muy novedoso lo que desarrollaste?

-La novedad es que nadie había utilizado este tipo de sensores cubiertos con gadolinio para detectar neutrones y tomar neutrografías. Otra de las ventajas de la técnica de neutrografía que desarrollamos es que estos mismos sensores son sensibles a rayos X. Esto nos permite tomar imágenes con dos técnicas independientes distintas y complementarias utilizando estos dispositivos de bajo costo, de consumo masivo y que pueden conseguirse fácilmente en el mercado sin regulaciones. Combinando estas dos técnicas se puede obtener más información de la muestra que se quiera estudiar, lo cual tiene aplicaciones en una gran diversidad de campos, tanto en ciencia básica como en ciencia aplicada.

– ¿Durante tu doctorado realizaste alguna estadía en el exterior?

– Sí, fueron estancias cortas en Barcelona, España, en 2019 y en Trieste, Italia, en 2020. Fueron aportes muy interesantes para mi formación, en Barcelona realicé una estancia en el Centro Nacional de Microelectrónica en la que trabajé en una colaboración para aprender a utilizar unos detectores semiconductores ultradelgados que fabrican allí. Luego, en Trieste realicé mediciones de espectroscopía de rayos X que incluí en mi tesis y que dieron lugar a dos publicaciones.

 – ¿Qué es lo que más te gustó de tu Doctorado?

– Trabajar todos los días en algo distinto es muy lindo: un día te dedicas a hacer mediciones, otro día a programar, otro a escribir papers. Eso hace que el trabajo no sea monótono y me encanta. El contacto con gente que sabe mucho más que uno y que tiene mucha experiencia en el tema también es muy enriquecedor. Por otra parte, es muy apasionante trabajar en algo nuevo que nadie hizo antes. A veces surgen problemas y uno no puede llegar al resultado que busca, pero cuando se pueden resolver esos problemas y llegar al objetivo es una satisfacción única.

– ¿Y qué balance hacés de tu Doctorado en el Balseiro?

– El balance es muy bueno. El Centro Atómico Bariloche tiene muy buenas instalaciones para realizar mediciones y las materias que realicé durante mi doctorado fueron interesantes y estuvieron bien dictadas. Por otra parte, tuve la suerte de contar tanto con mi director de tesis como con mi co-director que estuvieron conmigo en todo momento para guiarme en la realización de mi doctorado. En este sentido me resultó realmente muy interesante y enriquecedor realizar un trabajo en el que convergieron intereses de investigadores de diferentes gerencias de la CNEA.

– ¿Querés contar qué es lo que te apasiona de la ingeniería?
– Lo que más me atrapa de la ingeniería y del trabajo como investigador es el desafío de resolver todos los días problemas distintos. Es muy gratificante cuando, después de un tiempo, podés llegar a obtener buenos resultados y finalmente algo funciona como lo esperabas. En ese sentido, lo que más me gusta es poder trabajar en cosas que sirven para mejorar la calidad de vida de la gente.

– ¿Te gustaría agregar algo más?
– Quiero agradecer a toda la gente que me acompañó durante los trabajos experimentales de mi tesis y me permitió aprender sobre muchísimas técnicas de lo más variadas y a la CNEA por la oportunidad que me dio.

*Links a publicaciones que surgieron a partir del trabajo del Dr. Martín Pérez:

Thermal neutron detector based on COTS CMOS imagers and a conversion layer containing Gadolinium: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900218303681?via%3Dihub

High spatial resolution neutron detection technique based on Commercial Off-The-ShelfCMOS image sensors covered with NaGdF_4 nanoparticles: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/16/08/P08008

*Links a artículos vinculados:

Un estudiante de la Maestría en Ingeniería del Balseiro fue premiado por la IEEE (12/05/2016)

El Balseiro anunció quiénes son los ganadores del concurso IB50K 2016 (25/11/2016)

 

Por Renzo Cuello

Edición: Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional del 
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San Carlos de Bariloche, 09/09/2021
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