Cómo funciona un detector de silicio, como el sensor de tu cámara

Llevamos mucho tiempo en este blog hablando de detectores de partículas, del CERN y compañía. Hasta tal punto hablamos de ello que hasta os hemos enseñado a hacer vuestro propio detector de partículas casero y os hemos explicado el estado actual de un proyecto real que se está llevando a cabo en el CERN ahora mismo. Pero realmente no os hemos contado cómo funciona un detector de partículas realmente y ya va siendo hora.

Hoy nos vamos a centrar en explicar los detectores de silicio que son actualmente la mejor tecnología de la que se dispone. Además los detectores funcionan de forma similar al resto de detectores de partículas. Pero probablemente lo más interesante de todo esto es que los detectores de silicio son los que encontramos en cualquier cámara de fotos digital, en todas.

Cómo se detecta una partícula, proceso general

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Ya lo hemos mencionado, pero todos los detectores de silicio siguen el mismo principio básico que el resto de detectores. Necesitamos, lo primero, un medio neutro que sea capaz de generar carga eléctrica cuando una partícula lo atraviese. Esto puede ser tan sencillo como poner un gas en un recipiente o tan complicado que requiera semanas de preparación como en el caso de los detectores de silicio.

Una vez tenemos esto, hemos conseguido convertir el paso de una partícula en electricidad, pero si no la recogemos, seguimos sin detectar nada. El siguiente paso es aplicar un voltaje a los extremos de nuestra zona neutra. De esta forma la carga se moverá hacia uno de los dos electrodos y, con el circuito adecuado, podremos obtener una medida que significa que ha pasado una partícula.

Parece sencillo, pero no lo es tanto realmente ya que la carga que genera incluso un detector de silicio es mínima (hablamos de microamperios como mucho), por lo que necesitamos una buena electrónica para conseguir algo útil. Lo creáis o no, así funcionan todos los detectores de partículas modernos incluido el sensor de vuestra cámara de fotos, que no es más que un detector de fotones.

Cómo funciona un detector de silicio, los problemas

Los detectores de silicio son una versión más sofisticada que, utilizando este semiconductor, consigue alcanza una mayor resolución de la posición y de la energía de la partícula la llegar al detector. Pero también tiene sus pegas, y es que es más complicado de hacer y preparar como detector. El proceso principal que permite usar un detector de silicio se llama dopado y consiste en meter impurezas dentro del silicio.

Tras el proceso de dopado tenemos una pieza de silicio en configuración de diodo que generará carga eléctrica cuando lo atraviese una partícula, pero el problema es que el propio detector de silicio en este momento está creando varios millones de veces más carga por efecto de la temperatura haciendo imposible leer ninguna señal producida por una partícula. Es como echar un chorro de agua a una piscina e intentar recuperar todas las gotas del chorro: imposible.

Solucionando los problemas para poder medir

Lo que se hace para poder ver la señal es el equivalente a vaciar la piscina. Recordáis que para tener un detector necesitabamos aplica un voltaje, ¿verdad? Pues bien, al aplicar ese voltaje la carga generada térmicamente en el detector de silicio “desaparece”. No es que realmente desaparece, pero deja de dar señal, esto es lo que se conoce como el vaciado del diodo. Y ahora podemos medir las partículas que pasan sin problema.

Para utilizar los detectores de silicio en la vida real se montan en configuraciones muy exóticas, incluyendo una serie de celdas en dos dimensiones donde cada mini-detector de silicio es leído individualmente y forma lo que llamamos píxeles en las cámaras de fotos digitales. Un ejemplo más de cómo la física de partículas avanzada sí puede tener repercusión en la vida de todo el mundo.