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Curso MadPIX 2023: 1. Los chips Medipix: tecnología y aplicaciones - Contenido educativo

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Subido el 4 de mayo de 2023 por Cie madrid

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Rafael Ballabriga Suñé, del CERN y las colaboraciones Medipix nos explica cómo funciona y de dónde surgió el chip que está en la base del MiniPIX Edu.

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Hola, buenas tardes. Pues esta es la primera sesión de la sesión 00:00:00

presencial del curso de formación para utilizar los detectores minipixedu y hoy 00:00:29

la verdad que las tres personas que van a participar en el curso creo que son las tres 00:00:37

personas más indicadas porque son pioneros en distintos campos. Iré presentándolos según 00:00:43

llegue el momento. El primero es Rafael Vallabrigas Uñé, que es ingeniero. Trabaja en la sección de 00:00:49

microelectrónica en el CERN y no hay mucha gente que esté más cerca del origen de este 00:00:56

proyecto que él y que nos pueda explicar lo que es porque el chip Medipix, en el que está basado 00:01:01

el detector con el que vosotros y vuestros alumnos vais a trabajar, fue desarrollado en el CERN y 00:01:08

entonces yo creo que no debo entretenerme más y dejar a Rafael que empiece. Rafael, cuando quieras. 00:01:15

Muchas gracias, Paco, por esta introducción. Es un placer estar aquí con todos vosotros y 00:01:21

bueno, básicamente decir antes de empezar que estas transparencias las voy a pasar a Paco 00:01:29

cuando acabe la presentación y que estoy a vuestra disposición por si pudiera surgir 00:01:34

alguna pregunta si no dudéis en contactarme por correo electrónico. Este es el índice de 00:01:41

mi presentación. Hoy voy a hablar de, voy a empezar con una introducción llena de bastantes 00:01:48

analogías. Voy a hacer una introducción a los detectores de píxeles híbridos y voy a hablar 00:01:54

de las colaboraciones Medipix, que es básicamente el marco en el cual desarrollamos estos detectores 00:02:00

aquí en el CERN. Voy a acabar hablando de algunas de las aplicaciones y me centraré en tres. La 00:02:07

primera es dosimetría en el espacio, la segunda es radiografía, finalmente educación y acabaré con 00:02:14

un resumen y conclusiones. Básicamente me gustaría empezar con esta analogía. Cuando queremos estudiar 00:02:20

las cosas que tienen una medida del orden del micrómetro, utilizamos un instrumento que es el 00:02:28

microscopio. Cuando queremos estudiar la estructura de la materia a la escala del atómetro, es decir 00:02:36

10 a la menos 18 metros, lo que utilizamos es otro tipo de herramientas como por ejemplo 00:02:47

aceleradores de partículas que aceleran las partículas a velocidades muy similares a la 00:02:56

de la luz. Utilizamos también detectores para estudiar qué ocurre cuando esas partículas 00:03:04

colisionan y después utilizamos también infraestructura para el análisis de datos, 00:03:12

infraestructura informática básicamente para el análisis de datos. En ese sentido podríamos decir 00:03:24

que en el CERN tenemos esa combinación de aceleradores, detectores y tecnología para 00:03:32

analizar los datos y podríamos pensar que lo que tenemos es un atoscopio, es decir un 00:03:37

instrumento que por analogía con el microscopio, el microscopio nos permitía visualizar objetos del 00:03:45

orden del micrómetro. Los instrumentos que tenemos en el CERN nos permiten visualizar 00:03:52

o estudiar la materia a una escala del orden del 10 a la menos 18 del orden del atómetro. 00:04:01

Cuando las partículas se hacen colisionar aquí en el centro, en el corazón de los aceleradores, 00:04:10

esas colisiones ocurren en el centro de unos detectores que a mí me gusta hacer la analogía 00:04:16

como cámaras de fotos gigantes, que tienen centenares de millones de canales y que permiten 00:04:25

registrar del orden de 40 millones de fotos por segundo, es decir, la frecuencia de colisiones 00:04:31

en el centro del acelerador son 40 millones de veces por segundo, 40 megahercios, y estos 00:04:42

detectores nos permiten analizar las trazas de las partículas que se originan como consecuencia 00:04:52

de estas colisiones de partículas a esa escala, a la escala de 40 millones de fotos por segundo. 00:04:58

Un detector es un instrumento que sirve para descubrir la presencia de alguna cosa a través 00:05:04

de indicios. Las partículas no las podemos ver con nuestros ojos, pero podemos desarrollar 00:05:10

instrumentos que nos permiten descubrir la presencia de esas partículas a través de indicios, 00:05:19

y esos indicios son unas huellas que esas partículas nos dejan en los detectores. 00:05:26

Es decir, podemos reconocer las partículas por sus huellas, de la misma analogía que mirando 00:05:34

las huellas en la nieve podemos determinar qué tipo de ser vivo las ha producido, cuál era la dirección, 00:05:42

podemos extraer mucha información a través de esas huellas. Pues de las partículas es un poco 00:05:55

lo mismo, las huellas que las partículas nos dejan en los detectores nos permiten identificar qué tipo 00:06:02

de partícula se trata, qué energía tiene, la carga eléctrica de esa partícula, el punto donde se 00:06:09

creó y su trayectoria. Esas huellas no sólo dependen del tipo de partículas sino también del 00:06:17

material detector. Si habéis hecho alguna vez la experiencia de una cámara de niebla, habréis 00:06:24

podido ver diferentes tipos de huellas o diferentes tipos de trazas originadas por diferentes tipos de 00:06:30

partículas, diferentes tipos de familias de partículas. Y aquí os muestro una fotografía de 00:06:38

una cámara de niebla, en particular esta está en el microcosma aquí en el CERN, y básicamente 00:06:45

observando esta imagen y haciendo la analogía con las huellas, podemos detectar diferentes 00:06:54

tipos de huellas diferentes, diferentes tipos de trazas diferentes. Por ejemplo, vemos algunas 00:07:01

trazas que son más gruesas. Estas trazas seguramente han sido originadas por partículas 00:07:07

alfa. Podemos ver trazas rectilíneas. Estas trazas seguramente son debido a partículas como rayos 00:07:12

cósmicos que han dejado un camino de ionización a través del detector del material que han 00:07:21

atravesado, como en este caso es la cámara de niebla. Podemos ver también algunas partículas 00:07:32

que tienen trazas un poco más aleatorias. Esto seguramente son partículas beta o 00:07:39

electrones rápidos que, mientras van interaccionando con las partículas del medio detector, van 00:07:48

cambiando ligeramente su trayectoria, originando este tipo de trazas características que son 00:07:55

trazas un poco caóticas. Estas trazas que son básicamente la característica de estos 00:08:02

electrones rápidos, de estas partículas betas, cuando interaccionan con el material, en este 00:08:12

caso la cámara de niebla. A nivel más macroscópico, para analizar también e identificar diferentes 00:08:18

tipos de partículas en el acelerador, en el CERN, pasa algo similar. Nos basamos sobre la 00:08:27

característica de que cada familia de partículas interacciona de manera diferente con los materiales 00:08:36

que encuentran. Así, varios de los detectores en el CERN se construyen alrededor, en 00:08:41

varias capas, alrededor del punto donde se hacen coleccionar esos protones en el 00:08:53

centro de estos detectores y las trazas que nos dejan nos permiten identificar el tipo de partículas, 00:09:00

si es un muón, si es un electrón, si son partículas cargadas con una energía cinética elevada, si son 00:09:08

fotones. Estos fotones van a dejar señal en ciertas capas, como por ejemplo en los calorímetros 00:09:14

electromagnéticos, pero no van a dejar señal en los detectores de trazas que son más interiores 00:09:21

en el centro del detector. Si nos centramos en los detectores de trazas, estos detectores son 00:09:28

un reto tecnológico, básicamente. Tienen unas especificaciones que incluyen, por ejemplo, 00:09:38

el procesado individual de la señal depositada en el sensor para cada partícula. Tienen que 00:09:47

estar preparados para medir cada 25 nanosegundos, es decir, el tiempo de recuperación de la 00:09:55

electrónica ha de ser del orden de 25 nanosegundos para tomar una imagen y, en la siguiente colisión, 00:10:03

estar preparados para tomar otra fotografía de las partículas que pasan por estos píxeles. 00:10:10

Tienen una resolución espacial del orden de decenas de micrómetros, es decir, cada canal es muy 00:10:20

pequeño y tienen otras características como masa mínima, bajo consumo de potencia, porque hay que 00:10:27

llevar la potencia al centro del detector y deben tener la resistencia electrónica, han 00:10:35

de ser implementados con electrónica que debe ser resistente a la radiación. Actualmente, 00:10:46

solamente la tecnología que llamamos de píxeles híbridos cumple con estas especificaciones. 00:10:52

Básicamente, ahora voy a introducir cuál es esta tecnología. Empezamos con una definición, un 00:10:59

detector de píxeles híbrido es una matriz de elementos microscópicos que son sensibles a la 00:11:05

radiación y cada uno de los cuales está conectado a su propia electrónica de lectura. La palabra 00:11:11

híbrido nos transmite el mensaje de que tenemos la combinación de dos 00:11:17

tecnologías que se unen para, en este caso, crear un sistema de detección. Las dos tecnologías, 00:11:24

en este caso, es, en primer lugar, la tecnología del detector, el detector semiconductor y la 00:11:31

tecnología de la electrónica de lectura, que se combinan para realizar este sistema detector. 00:11:38

Básicamente, el material detector equivalente al gas en la cámara de niebla. Básicamente, 00:11:46

este material detector es un material semiconductor, es básicamente un diodo. A menudo se utilizan 00:11:55

diodos del orden de 300 micras de silicio o hasta un milímetro de silicio y, básicamente, 00:12:06

su función es básicamente convertir la energía o parte de la energía de la partícula incidente 00:12:15

en una señal eléctrica y esta señal eléctrica será procesada por la electrónica de lectura, 00:12:24

por lo que se llama ASIC. ASIC significa Application Specific Integrated Circuit, 00:12:32

circuito integrado diseñado para una aplicación específica y este ASIC, esta electrónica, 00:12:40

va a ser la que va a procesar la señal de corriente depositada en el detector por una 00:12:48

partícula incidente. Aquí vemos una fotografía de este detector en la que vemos la capa superior, 00:12:54

que es el detector semiconductor, en este caso 300 micras de silicio, y debajo vemos el chip 00:13:04

microelectrónico que va a procesar las señales generadas en el detector por las partículas 00:13:13

incidentes. Aquí lo que vemos estos cablecitos, básicamente es lo que se llama en inglés 00:13:23

wire bonds, que son básicamente unos cables del orden de 25 micras de diámetro que conectan 00:13:29

el chip de lectura con la placa donde se posiciona este sistema. Si hacemos una 00:13:37

sección de este detector, lo que veremos es, en este caso no está a escala, tendremos el sensor 00:13:50

y tenemos la electrónica de lectura que está conectada con estas pequeñas bolitas de estaño. 00:13:57

El proceso se llama flip chip technology o band bonding y permite básicamente conectar el sensor 00:14:04

a la electrónica de lectura de forma eléctrica y mecánica. Básicamente, cuando tenemos una 00:14:12

partícula incidente, esta partícula va a crear ionización, va a crear pares de electrones y 00:14:18

huecos y estos pares de electrones y huecos, debido al hecho de que hay en el sensor un campo 00:14:27

eléctrico, estas partículas con carga eléctrica se pueden mover en el interior del sensor, 00:14:36

siguiendo básicamente las líneas de campo eléctrico y es este movimiento de estas 00:14:47

partículas con carga eléctrica en el interior del sensor lo que va a originar una corriente 00:14:54

eléctrica en el píxel de lectura y básicamente el píxel va a tratar esta señal. Básicamente, 00:15:00

podemos intentar extraer varios tipos de información del haz de partículas que nos 00:15:08

llegan a nuestro sensor. Por ejemplo, podríamos pensar en medir el número de partículas que 00:15:15

depositan señal en el píxel durante un tiempo determinado, durante un tiempo determinado, 00:15:23

controlado por una señal eléctrica que llamamos shatter. También podemos medir la energía 00:15:30

depositada por cada partícula o podemos medir también el tiempo de llegada de esas partículas 00:15:37

a los píxeles. También podemos medir, y aquí me gustaría volver a lo que decía antes, antes 00:15:45

hablaba de huellas que nos dejan las partículas en los detectores y a través de esas huellas 00:15:53

podemos identificar qué tipo de partícula ha dejado señal. En este caso, aquí podemos 00:16:02

identificar tres tipos de señales en nuestros píxeles. Básicamente, los cuadraditos, cada 00:16:09

cuadradito representa un píxel y en este caso vemos una partícula que ha dejado una señal 00:16:16

en un clúster de píxeles, una señal como redonda. Este es característico de una partícula alfa que 00:16:23

son núcleos de helio que depositan una energía muy importante de forma muy superficial en la 00:16:32

superficie del detector. También podemos detectar, podemos ver este tipo de trazas, 00:16:41

esto son básicamente las trazas correspondientes a los muones, a rayos cósmicos que atraviesan 00:16:49

el detector y que depositan señal, depositan una señal a lo largo del camino que recorren en el 00:16:58

interior del material semiconductor, dejando estas trazas rectilíneas debido a su energía. 00:17:08

Y también vemos, podemos encontrar partículas como las partículas beta que ya comentaba antes 00:17:14

en el caso de la cámara de niebla, que básicamente tienen una traza curvada, es decir, a medida que 00:17:22

penetran en el material semiconductor y que van encontrando a su paso átomos del material 00:17:31

semiconductor, en este caso átomos de silicio, van curvando su trayectoria dejando un camino 00:17:39

de ionización y que nosotros podemos observar con este tipo de detectores. En ese sentido, 00:17:45

podemos observar y podemos identificar diferentes tipos de partícula dependiendo de la traza que 00:17:52

nos han dejado en el detector y eso es interesante en muchas aplicaciones como veremos luego, por 00:18:02

ejemplo, en dosimetría en el espacio o dosimetría en general. En uno de nuestros últimos chips, 00:18:07

el TimePix3, lo que podemos también medir es el tiempo de llegada de la partícula con una resolución 00:18:15

del orden por un poco por debajo del nanosegundo, es decir, 10 a la menos 19 segundos y eso nos 00:18:21

permite hacer cosas muy interesantes como determinar la traza en tres dimensiones de 00:18:30

la partícula en el interior del material semiconductor. Aquí vemos una medida que 00:18:38

hicimos en nuestro laboratorio en la cual esta medida la hicimos en 72 horas sin radiación, 00:18:46

sin fuente radioactiva, es decir, midiendo la radioactividad en el ambiente y podemos ver 00:18:55

básicamente diferentes tipos de partículas, como os decía antes, que están en el ambiente y que 00:19:03

podemos medir. Básicamente en esta transparencia me gustaría un poco mostrar cuál es la electrónica 00:19:10

que incluimos o que integramos dentro de un píxel y un píxel básicamente en el TimePix3 que ya 00:19:20

pudisteis observar con Francisco a la última sesión. En el chip TimePix3 contiene una matriz 00:19:29

de 256 por 256 píxeles, es decir, 65.000 píxeles en los cuales la superficie de cada píxel son 55 00:19:40

micrómetros. En esos 55 micrómetros hay una circuitería, una electrónica que básicamente 00:19:52

consiste en primero un amplificador de carga que integra y amplifica la señal depositada 00:20:00

en el detector semiconductor cuando pasa una partícula. La salida de este amplificador de 00:20:10

carga se conecta a un discriminador, a un comparador, que nos permite comparar esta 00:20:17

señal que tiene una forma triangular con un nivel umbral y básicamente la salida de este 00:20:24

comparador es una señal que llamamos una señal digital, tiene dos valores, valor de cero básicamente 00:20:32

si la salida del amplificador está por debajo del nivel umbral y se activa, pasa a 1, cuando la 00:20:39

señal del amplificador está por encima del nivel umbral. Esta señal digital se inyecta en un 00:20:48

comparador, en un bloque digital que básicamente va a contar el número de partículas, por ejemplo, 00:20:58

que han depositado señal durante un tiempo de obturador, de un tiempo de shatter. Esto es un 00:21:03

sistema que llamamos noise hit free, lo que quiere decir que solo detectamos, nuestros 00:21:12

píxeles solo se activan si en el amplificador ha habido una señal depositada por encima del 00:21:21

valor umbral. Eso quiere decir que podemos medir durante horas y solo detectar en nuestros 00:21:31

píxeles las señales reales depositadas por partículas que han depositado su 00:21:37

energía o parte de su energía en el material semiconductor y podemos hacer, como decía antes, 00:21:45

varias medidas. Podemos medir la presencia o la ausencia de una partícula en un intervalo de 00:21:51

tiempo. Podemos trabajar en modo cámara en el cual durante el tiempo de obturador, en el tiempo 00:21:57

durante el cual el obturador está abierto, medimos el número de partículas que han depositado señal 00:22:04

durante ese tiempo de obturador. Podemos medir la energía midiendo la amplitud de esta señal o 00:22:10

midiendo el tiempo que la señal a la salida del amplificador está por encima del nivel umbral o 00:22:19

podemos medir el tiempo de llegada de la partícula y básicamente estas son las medidas que podemos 00:22:28

hacer. Una limitación de este tipo de tecnología, y lo comento para ser completo en mi 00:22:36

presentación, es el tiempo muerto. Es lo que se llama tiempo muerto o dead time en inglés que 00:22:47

básicamente implica que durante el tiempo que la salida del amplificador está activa no podemos 00:22:52

procesar otro evento de otra partícula que podría haber llegado muy cercana en tiempo a la 00:23:00

primera partícula. Este tiempo es del orden de centenares de nanosegundos, que para aplicaciones 00:23:11

en las cuales medimos radiación ambiental no es ningún problema, pero para aplicaciones como 00:23:19

radiografía con rayos X, el tiempo muerto puede llegar a ser una limitación del sistema. 00:23:26

Esta transparencia la he añadido a última hora, es para hacer también un pequeño homenaje a 00:23:34

Gordon Moore que falleció el mes pasado, justo hace un mes. Es uno de los fundadores de la 00:23:41

empresa Intel y básicamente en el año 1965 hizo la predicción de que el número de transistores 00:23:49

por circuito integrado iba a doblar cada dos años. Quizá antes de pasar esta transparencia debería 00:23:59

decir que básicamente mi trabajo aquí en el CERN consiste en coger estos bloques que aquí 00:24:10

vemos como triángulos o como una caja para el contador y traducir estos bloques en circuitos 00:24:17

en los cuales el componente elemental es básicamente un componente de tres terminales que se llama 00:24:27

transistor. Volviendo a esta transparencia, Gordon Moore en el 1965 cuando había del orden 00:24:36

de 1.300-1.500 transistores por chip hizo la predicción de que el número de transistores 00:24:46

por circuito integrado iba a doblar del orden de cada 18 meses o dos años. Eso quiere decir 00:25:00

que básicamente tenemos un crecimiento exponencial del número de transistores y eso lo podemos ver 00:25:07

básicamente en el eje de las ordenadas en este gráfico en el cual tenemos el número de 00:25:14

transistores implementados en un chip en función del año en el cual estos chips fueron diseñados 00:25:21

para diferentes microprocesadores y lo que vemos es básicamente que en aquella época cuando hizo 00:25:28

la predicción había del orden de 1.300-1.500 transistores por chip y hoy de hecho en los 00:25:37

últimos chips que se fabrican y que podemos tener en nuestros bolsillos, en nuestros teléfonos 00:25:46

móviles por ejemplo o en ordenadores, el número de transistores que hay en esos chips es superior 00:25:53

al número de personas que hay en la tierra y básicamente me gustaría relacionar esta transparencia 00:26:01

también con los detectores que diseñamos porque básicamente los detectores que diseñamos en la 00:26:11

capa de que comentaba antes de la electrónica de lectura básicamente se diseña utilizando la 00:26:16

misma tecnología que estos microprocesadores, es tecnología lo que se llama CMOS estándar y 00:26:25

básicamente si podemos ir miniaturizando cada vez más los píxeles es gracias a la evolución en la 00:26:33

tecnología gracias a la industria microelectrónica. Ahora voy a hablar un poco de las colaboraciones 00:26:44

Medipix, de hecho hay tres colaboraciones vigentes de Medipix, básicamente son colaboraciones que 00:26:53

se han creado para diseñar estos chips y para fomentar las aplicaciones y aquí vemos los 00:27:01

miembros de la colaboración Medipix 2, la mayoría de los cuales está en Europa, en España tenemos 00:27:11

el Instituto de Física de Altas Energías en el IFAE cerca de Barcelona y después tenemos 00:27:18

también otros institutos como Houston en Texas y Berkeley cerca de San Francisco. En la 00:27:25

colaboración Medipix 3 también tenemos aparte de la mayoría de centros que forman parte de la 00:27:33

colaboración Medipix 2 también tenemos la Universidad de los Andes en Bogotá y también 00:27:40

tenemos un sincrotron en Campinas en Brasil y una universidad en Canterbury en Nueva Zelanda 00:27:46

y básicamente aquí tenemos los miembros de la colaboración Medipix 4. Estas colaboraciones 00:27:54

se crearon para desarrollar los detectores de píxeles híbridos, los chips los diseñamos 00:28:02

aquí en el CERN y sus aplicaciones. Diseñamos dos tipos de chips, chips que llamamos Medipix, son 00:28:08

dos familias de chips que tienen dos aplicaciones un poco diferentes. La familia Medipix 00:28:17

integra un procesado rápido de la información en cada píxel y esto puede ser utilizado sobre todo 00:28:24

en aplicaciones donde el flujo de partículas es más elevado como por ejemplo en radiografía y después 00:28:32

tenemos los chips TimePix que nos dan mucha más información por cada partícula que deposita su 00:28:38

energía en el sensor pero tienen la limitación de que en consecuencia el flujo de partículas 00:28:46

que pueden procesar es inferior. Los chips son lo que llamamos Science Driven, es decir, las 00:28:54

colaboraciones son Science Driven, es decir, no tenemos empresas en el board que 00:29:04

gestiona la colaboración pero cuando los chips están diseñados, testeados y son robustos para 00:29:12

ser utilizados en diferentes aplicaciones, podemos dar licencias de comercialización que 00:29:23

pueden ser exclusivas en un campo muy determinado o de no exclusividad, es decir, en todos los 00:29:31

campos que no están cubiertos por estas licencias exclusivas y de hecho el proyecto es básicamente 00:29:38

un spin-off y spin-back entre física de altas energías y otras otras aplicaciones. En esta 00:29:45

última fase de la presentación me voy a centrar en tres aplicaciones empezando con la 00:29:53

dosimetría en el espacio y de hecho me gustaría invitaros a dar un vistazo, a echar un vistazo a 00:30:00

esta presentación que es una presentación que se hizo aquí en ACERN el último mes de noviembre 00:30:08

y que un poco celebraba los 10 años de TimePix en misiones en el espacio y en este enlace 00:30:17

básicamente encontraréis la presentación que podéis visualizar en cualquier momento y que 00:30:28

podéis también compartir con vuestros estudiantes. En esta transparencia, básicamente es una 00:30:38

transparencia ya del 2018 pero que incluye básicamente algunos de los desarrollos 00:30:45

que se han hecho relacionando TimePix con aplicaciones de dosimetría en el espacio 00:30:53

para varias agencias europeas, la europea y también la de los Estados Unidos, la NASA. 00:31:05

Aquí en esta transparencia básicamente es un resumen de las misiones en las cuales 00:31:13

TimePix ha sido utilizado en misiones de la NASA o será utilizado en los próximos años 00:31:22

en misiones que pueden ser tanto como monitorización de la radiación de los 00:31:31

astronautas en la Estación Espacial Internacional o otras aplicaciones más en la órbita lunar o 00:31:38

incluso en la superficie lunar con la misión Artemis y de hecho esta aplicación de TimePix 00:31:44

básicamente es la misma aplicación de los chips que espero que algún día tengáis la oportunidad 00:31:56

vosotros profesores de utilizar en vuestras aulas con vuestros estudiantes. Aquí veis la foto 00:32:04

de un astronauta en la Estación Espacial Internacional en la cual hay cinco detectores 00:32:12

TimePix midiendo en diferentes partes de la nave la radiación a la cual están expuestos 00:32:18

estos astronautas y aquí veis el dispositivo conectado a un ordenador mediante el puerto 00:32:28

USB. Básicamente como los dispositivos que ya estamos distribuyendo para las escuelas. 00:32:34

Se pueden hacer diferentes tipos de estudio como por ejemplo el estudio de la radiación 00:32:42

y aquí vemos básicamente la zona que se encuentra sobre las costas del Brasil que es 00:32:49

donde hay lo que se llama o lo que se conoce como la anomalía del Atlántico Sur que es una 00:32:57

región donde hay más radiación debido a que los anillos de Van Allen están más cercanos a la tierra 00:33:03

en esta zona de básicamente de la órbita de la Estación Espacial Internacional que 00:33:13

orbita si no me equivoco a 400 kilómetros de la Tierra. Básicamente como podéis ver esto 00:33:19

es el dispositivo TimePix y estas son transparencias de Stuart George en esta 00:33:26

presentación que os comentaba antes indicando básicamente la diferencia de incluso de volumen 00:33:33

del detector antiguo que se utilizaba para medir la radiación en naves espaciales a 00:33:42

básicamente el nuevo detector que a pesar de ser más pequeño nos da mucha más información 00:33:50

como por ejemplo lo que os comentaba antes, el tipo de partículas que se encuentran, 00:33:58

qué familia de partículas están depositando energía en el detector y eso es muy importante 00:34:05

sobre todo en dosimetría porque permite básicamente hacer una correspondencia entre el tipo de 00:34:11

partículas, la energía que éstas depositan y el daño en el tejido biológico, por ejemplo en el 00:34:20

cuerpo de los astronautas. Otra de las aplicaciones en las cuales utilizamos este tipo de 00:34:27

chip es radiografía. Básicamente en esta transparencia lo único que el mensaje que me 00:34:35

gustaría transmitir es el hecho de que en un tubo de rayos x debido a cómo los rayos x se generan 00:34:44

la energía de los rayos x, la energía de esos fotones, no es una energía monocromática sino que 00:34:55

es todo un espectro de energías, no es policromática. Podríamos decir que hay varios colores de 00:35:04

rayos x, es decir, diferentes energías de rayos x, es decir, todo un espectro y eso es lo 00:35:10

que encontramos a la salida de cualquier tubo de rayos x que se podría encontrar por ejemplo en 00:35:19

un hospital. En esta transparencia el mensaje es de que básicamente sin entrar en la ecuación 00:35:26

diferentes tipos de materiales, como en este caso pueden ser diferentes tipos de metales, 00:35:35

cobre, hierro, platino, estaño, plata o moliteno, tienen una atenuación que es diferente en función 00:35:42

de la energía de los fotones incidentes en esta muestra, es decir, este coeficiente de atenuación 00:35:53

podríamos decir que es una huella del material que estamos estudiando y básicamente si combinamos 00:36:07

estos dos hechos, si combinamos el hecho de que tenemos un tubo que nos da una salida policromática 00:36:16

con el hecho de que diferentes tipos de materiales atenúan diferentes energías de los fotones de 00:36:23

rayos x y lo combinamos con el hecho además de que nuestros píxeles pueden discriminar 00:36:33

diferentes energías, eso nos permite identificar diferentes materiales en una muestra. En este 00:36:41

ejemplo en particular, esto es una medida que se hizo con el chip Medipix 3, en el cual 00:36:50

tenemos la posibilidad de hacer una medida, es decir, abrimos el obturador, cerramos el obturador 00:36:58

y básicamente podemos clasificar cada fotón que nos ha llegado en tres diferentes rangos de energías. 00:37:04

Podemos ver los fotones de bajas energías a la izquierda y a la derecha podemos ver los fotones 00:37:14

de la imagen que nos han depositado los fotones de altas energías y como podréis ver la 00:37:21

información que nos dejan los diferentes fotones en diferentes partes del espectro es una 00:37:30

información que es complementaria, es decir, los fotones de baja energía no penetran estas 00:37:38

zonas metálicas más gruesas y en consecuencia el contraste en estas zonas es inferior, pero nos dan 00:37:46

un contraste superior en la imagen en las partes del mechero, en las partes más finas, en las 00:37:56

partes con menos atenuación, como podría ser, por ejemplo, el líquido del combustible en el 00:38:06

interior del mechero. Por otro lado, los fotones a altas energías nos dan una información mucho 00:38:13

más nítida de la imagen en estas partes porque penetran más los materiales, pero por el mismo 00:38:23

hecho nos están dando mucho menos información en estas zonas en las cuales el material 00:38:35

es menos atenuante y la idea es básicamente que en nuestros detectores podemos intentar 00:38:45

combinar la información de los fotones en diferentes partes del espectro para básicamente 00:38:53

crear imágenes con mejor relación señal-ruido y que combinen la información que nos han depositado 00:39:02

tanto los fotones a altas energías como los fotones a bajas energías. Esto mismo lo podemos 00:39:11

utilizar a la hora de analizar diferentes materiales que, como decía antes, atenúan de 00:39:17

forma diferente los fotones en diferentes partes del espectro y podemos asignar 00:39:27

diferentes colores a estos materiales. Por ejemplo, aquí hay diferentes muestras de diferentes 00:39:34

metales como cobre, molindeno, titanio, hierro, etcétera. De hecho, esta misma técnica, 00:39:41

este tipo de imagen y de intentar identificar materiales en una muestra se utilizó 00:39:50

para hacer el análisis técnico de un cuadro que se encontró en ciertas condiciones. 00:40:00

Básicamente, este cuadro no había estado repertoriado por la Casa Van Gogh en 00:40:09

Ámsterdam. La firma sí que parecía la de Van Gogh, pero no era un cuadro que era 00:40:17

conocido por la Maison Van Gogh en Ámsterdam. Básicamente, nuestros colaboradores, en este 00:40:24

caso una empresa, Insight Art, que tienen una licencia para comercializar este tipo de 00:40:34

detectores, hicieron un estudio técnico del cuadro y básicamente esta fue la imagen de rayos X 00:40:41

que obtuvieron después de analizar el cuadro. Como vemos, podemos ver la madera, podemos ver el lienzo, 00:40:50

podemos identificar algunas partes del cuadro como la escalera, aquí las montañas en el fondo. 00:41:00

Pero ahora podemos, con esta información, la información espectroscópica, la información de color, 00:41:09

podemos dar un paso más y podemos identificar qué tipo de materiales se utilizaron para pintar 00:41:16

esta muestra. Y esta es la imagen en color, la imagen que conserva esta imagen de materiales. 00:41:21

Si hacemos a partir de esta información, aquí si miramos bien, podemos ver que hay como una silueta 00:41:33

y podemos analizar un poco más este cuadro a partir de post-procesado de la información que nos dan 00:41:40

estos píxeles. Eso es lo que hicieron nuestros colaboradores y esto fue lo que descubrieron. 00:41:50

Básicamente, lo que descubrieron fue que en el mismo lienzo donde el autor había pintado un paisaje, 00:41:56

había un desnudo femenino, que de hecho se correspondía con el tipo de estilo que Van Gogh 00:42:02

había realizado en los años 1880 cuando daba clases de pintura en París. Y eso, aún no tenemos confirmación 00:42:10

de la autentificación exacta de este cuadro porque tardan incluso años en validar estos informes técnicos, 00:42:21

pero hay muchas posibilidades de que efectivamente sea un Van Gogh y en algunos años sabremos si desde 00:42:37

Ámsterdam lo han validado. Y como podemos analizar materiales en objetos, también lo podemos hacer en seres vivos 00:42:46

y esta básicamente es una imagen de una muñeca. Podemos ver los huesos y podemos ver dos tornillos, 00:43:00

dos clavos que se utilizaron, uno en titanio y el otro en acero para operar esta muñeca. 00:43:14

Finalmente, y seré breve, en educación también se están y estáis utilizando y desde España creo que tenemos 00:43:22

el mayor grupo en estos momentos de usuarios de esta tecnología, pero básicamente empezamos en el 2007 00:43:37

cuando esta escuela, Simon Langton School en el Reino Unido, nos visitaron y esta persona, esta profesora, Becky Parker, 00:43:46

tras la visita nos dijo, bueno, ¿qué es lo que deberíamos hacer para tener vuestros detectores en nuestras escuelas? 00:43:59

Y a partir de ahí empezó el proyecto Cernat School, que después evolucionó hasta hacia lo que se llamó 00:44:09

Institute for Research in School, que fue muy abierto durante la época en la que Becky fue la directora, 00:44:18

pero ahora son un poco más cerrados a la hora de compartir materiales con escuelas fuera del Reino Unido, 00:44:25

pero podéis echar un vistazo a la web que tienen. 00:44:35

También hubo alguna iniciativa en la República Checa, en la cual en Praga hay un grupo que es miembro de la colaboración Medipix 00:44:41

y muy activo en todo lo que es educación, y básicamente en España empezamos en el año 2017, 00:44:53

tras un seminario que hice en la Escuela Sagrada Familia en Gabá, en mi antigua escuela donde estudié la EGB y el bachillerato. 00:45:05

Después de la charla tuvimos un contacto personal con Daniel Parcerisas, que es el ponente de la próxima charla, 00:45:17

y a partir de ahí empezamos primero con un dispositivo, haciendo una práctica inicial, cuatro trabajos de investigación. 00:45:27

Dani hablará más de estos trabajos de investigación, que son básicamente asignaturas que forman parte del bachillerato, 00:45:37

al menos en Cataluña, no sé si en otras partes de España también, y básicamente empezamos muy pequeño, 00:45:45

y actualmente tenemos una red de escuelas que llamamos Red ADMIRA. 00:45:53

ADMIRA es el acrónimo de actividades con detectores Medipix para investigar la radiación en el aula, 00:46:02

y el objetivo básicamente era de acercar centros de investigación, universidades y escuelas alrededor de física de partículas, 00:46:09

creando una red de escuelas que compartan estos dispositivos, pero crear algo más que usuarios de TimePix. 00:46:18

Lo que queremos es que haya un compartimiento de estos materiales pedagógicos, de estas experiencias, 00:46:27

que hagan evolucionar un poco la forma como vosotros mismos, los profesores, utilizáis estos tipos de dispositivos en vuestras aulas. 00:46:38

También ofrecemos algunas formaciones, tanto para profesores como para estudiantes, 00:46:51

y hacemos sesiones impartidas por gente que puede ser del CERN o de centros de investigación, 00:46:58

y básicamente la idea también es que vuestros estudiantes participen en proyectos científicos reales. 00:47:05

De hecho, podría hablar de varios casos de estudiantes que han hecho trabajos de investigación que son muy interesantes, 00:47:13

desde analizar, hacer imágenes de rayos X, a investigar la radiación de rayos cósmicos. 00:47:25

Una estudiante de Dani creó un dispositivo con Arduino que permitía inclinar el TimePix 00:47:35

para medir el ángulo de incidencia de los rayos cósmicos en el detector. 00:47:44

Hay muchos tipos de trabajos que se pueden hacer y la idea es favorecer ese tipo de intercambio 00:47:51

entre profesores, estudiantes, investigadores, etc. Tenemos una web, que también os dejo el enlace, 00:48:00

y aquí podéis ver la red que tenemos en Cataluña, con actualmente 25 centros que están trabajando con este detector. 00:48:10

En esta red también es clave la ayuda de la Universidad de Barcelona, que nos proporciona, por ejemplo, 00:48:22

el acceso a tener la página web, se encargan de la logística para distribuir los kits, 00:48:32

cuando hacemos conferencias o reuniones nos dan acceso a materiales de laboratorio y a salas de conferencias, 00:48:40

y también proporcionan desde la UB, en este caso es el Instituto de Desarrollo Profesional de la UB, 00:48:51

proporcionan certificados a los profesores que asisten a estas conferencias. 00:49:02

Desde el CERN también estamos intentando favorecer este tipo de iniciativas, 00:49:08

este tipo de clusters en diferentes países miembros, y como veis en España tenemos el área de Barcelona, 00:49:16

tenemos Madrid, tenemos Galicia y tenemos también un detector en Pamplona, 00:49:27

y después tenemos otros detectores en otros puntos de Europa y seguimos distribuyendo parte de estos detectores 00:49:34

y estamos trabajando también para conseguir financiación para favorecer este tipo de iniciativas. 00:49:41

Como conclusiones, básicamente dos. La primera, y si os quedáis con esto ya estoy contento, 00:49:54

es el hecho de lo que decíamos, diferentes tipos de partículas interaccionan de forma diferente con el material detector, 00:50:05

con el material en este caso en el TimePix es un material semiconductor, pero en una cámara de niebla es un gas que puede haber, 00:50:14

y ese tipo de interacciones, podemos hacer la analogía como si fuera la firma de la partícula, 00:50:22

y analizando ese tipo de trazas podemos encontrar diferentes tipos de familias de partículas, 00:50:33

como en este caso partículas alfa, partículas con energía cinética elevada, 00:50:38

como pueden ser el caso de estas partículas con carga eléctrica, que pueden ser muones, 00:50:45

que pueden venir de rayos cósmicos o electrones, partículas altamente ionizantes, etc. 00:50:51

Y eso lo podemos visualizar con nuestros detectores. Y eso creo que da mucho juego, 00:51:00

sobre todo pensando en vosotros, profesores, para enseñar conceptos que pueden ser un poco abstractos para los estudiantes. 00:51:06

El poder visualizar creo que puede dar mucho juego. 00:51:19

Y la segunda idea que quería transmitir es que en este tipo de proyectos que estamos creando, 00:51:25

la idea es un poco cambiar la metodología clásica, el paradigma de la metodología clásica, 00:51:32

en la que el flujo de la información va básicamente desde universidades y centros de investigación donde se crea, 00:51:39

a formar profesores de profesores que después van a compartir esos conocimientos con los estudiantes. 00:51:47

Básicamente lo que estamos intentando es un poco fomentar este tipo de intercambios. 00:51:56

De hecho, estudiantes de algunos de los profesores en la red Admira alguna vez me han contactado 00:52:01

para hacer preguntas o revisar trabajos de investigación. 00:52:09

Algunos de estos estudiantes también han ido a la universidad para utilizar material, 00:52:14

como por ejemplo tubos de rayos X, siempre supervisados por personal de la universidad o por estudiantes de doctorado. 00:52:21

Y eso puede llegar a crear referentes y motivación en estos estudiantes de secundaria, 00:52:33

o profesores que también nos contactan para hacer preguntas o para fomentar este tipo de iniciativas. 00:52:42

Básicamente eso es lo que estamos intentando fomentar con estas redes que estamos creando a nivel local y a nivel también más internacional. 00:52:52

Y con eso básicamente me gustaría daros las gracias por vuestra atención y estoy disponible por si hay preguntas. 00:53:04

Incluso si surgieran más tarde no dudéis en enviarme un correo electrónico. 00:53:17

Muchísimas gracias Rafael, qué introducción más buena, así da gusto. 00:53:22

Y como somos pocos creo que no hace falta mucha moderación que recoja yo las preguntas. 00:53:26

Podéis hablar cuando lo consideréis y tenemos unos minutitos para hacer preguntas. 00:53:32

Y si se os ocurren más tarde porque sois lentos como yo, por ejemplo, se las hacemos llegar Rafael más tarde. 00:53:38

Yo también soy lento. Adelante. 00:53:44

Adelante cuando queráis. 00:53:47

Tan lentos no, porque aún te he entrevistado antes y podía haber. 00:53:52

Sí que tengo una que se me ha ocurrido cuando estabas comentando todo el tema de la ley de Moore y todo esto. 00:53:56

Últimamente ha habido muchas noticias en los periódicos sobre crisis de los microchips, falta de materiales, etc. 00:54:05

¿Todo esto cómo os afecta a vosotros? 00:54:13

Sí, es correcto. Desde el 2020, un poco después de haberse iniciado la pandemia, encontramos básicamente que era difícil. 00:54:15

Más que el enviar a fabricación los chips, eso sinceramente no nos ha afectado. 00:54:31

Los precios han subido un 20%, básicamente. 00:54:40

Pero aparte de eso, en nuestro día a día no nos ha afectado a nosotros para enviar chips a fabricación. 00:54:44

Lo que sí que nos ha afectado es básicamente cuando creamos una placa electrónica. 00:54:52

Aparte del chip TimePix, hay otros chips alrededor. 00:54:59

Por ejemplo, para hacer la interfaz entre nuestro chip y el ordenador, el puerto USB, hay diferentes microprocesadores. 00:55:04

O puede haber unos chips que son programables, que se llaman FPGAs. 00:55:15

Y ahí sí que hemos visto que hemos tenido que cambiar un poco la metodología de trabajo, 00:55:20

porque básicamente nos hemos encontrado que teníamos placas diseñadas, 00:55:28

y que después no podíamos conseguir los componentes que tenían que ir en esas placas. 00:55:33

En ese sentido, lo que hacemos mucho ahora es básicamente, antes de enviar una placa a fabricación, 00:55:40

compramos los componentes para estar seguros de que una vez tenemos las placas, podemos montar todos los componentes. 00:55:46

También tengo que decir que el periodo más complicado en este sentido fue desde, diría, mayo del 2020, 00:55:54

cuando la pandemia empezó en marzo del 2020. 00:56:02

Después hubo mucha gente que básicamente con el confinamiento tuvimos que comprar material informático para nosotros, para nuestros hijos. 00:56:08

Y eso es lo que creó básicamente esta falta de algunos componentes que también nosotros estábamos utilizando en nuestras placas. 00:56:19

Utilizamos esta metodología ahora mismo de comprar los componentes antes de enviar la placa a fabricación. 00:56:31

Y también tengo que decir que básicamente estos efectos se están minimizando últimamente. 00:56:39

También creo que con la inflación se está reduciendo la compra de estos materiales 00:56:47

y en consecuencia la disponibilidad vuelve a ser, los chips vuelven a ser disponibles. 00:56:57

Los precios no bajan, ¿no? Por eso. 00:57:07

Pero los precios no bajan. Los precios subieron un 20% la empresa con la que fabrica nuestros chips. 00:57:09

Porque nosotros básicamente los diseñamos, es como ser básicamente un arquitecto. 00:57:18

Un arquitecto diseña los planos de una casa y después otra compañía va a fabricar, ¿no? 00:57:24

Pues nosotros somos los arquitectos, básicamente ponemos los transistores en el silicio 00:57:33

y damos a fabricar esos mapas, esos planos a otras empresas que se llaman foundries. 00:57:39

Básicamente se pudieron permitir de forma unilateral de subir los precios de un día para otro a un 20%. 00:57:48

Esto de los planos y todo esto y estos circuitos algún día, Rafa, a ver si podemos hablar porque me parece 00:58:00

también un tema interesante que no hemos tocado todavía. 00:58:05

Y creo que por ahí también podríamos explotar algún recurso interesante para alumnos a lo mejor. 00:58:08

Sí, sí, sí. Completamente de acuerdo. De hecho, hay varias iniciativas. 00:58:14

De hecho, los líderes de estas iniciativas están en Estados Unidos, pero están favoreciendo mucho 00:58:22

el hecho de que estudiantes de secundaria, es decir, pre-universitarios puedan diseñar sus propios chips, 00:58:30

sus propios circuitos integrados. Eso es algo que hace 20 años era completamente inasumible 00:58:40

porque primero se necesitan herramientas de diseño muy avanzadas y los costes de estas herramientas 00:58:49

son muy prohibitivos para ciertas aplicaciones, incluso para pequeñas empresas. 00:58:58

Pero últimamente, con esta moda del Open Access, se están desarrollando herramientas de Open Access 00:59:05

para desarrollar circuitos integrados en tecnologías que no son las últimas tecnologías disponibles. 00:59:13

Por ejemplo, las últimas tecnologías son de 5 nanómetros, es decir, los transistores más pequeños 00:59:23

tienen una longitud de canal del orden de 5 nanómetros, quizá un poco más grande actualmente, 00:59:30

pero es ese orden de magnitud. Y las tecnologías estas son más de 130 nanómetros, 00:59:39

pero hoy en día se pueden tener recursos pedagógicos para estudiantes de secundaria, 00:59:49

para que incluso diseñen sus chips. Os he encantado de hablar de este tema cuando queráis. 00:59:58

Muy bien, qué bonito ver que sale una iniciativa nueva en directo. ¿Tenéis alguna pregunta más? 01:00:09

Sí, yo tenía una pregunta. Soy Justino y era en referencia a la idea de adquirir estos Minipix 01:00:16

para realizar proyectos en el aula. Entonces, me gustaría dar un vistazo a la página de Admira 01:00:24

y ahí están todos los proyectos que ya se han realizado, para no pisar ninguno o para hacer algo diferente. 01:00:29

¿Dónde se puede ver todos los proyectos que se desarrollan? 01:00:35

Sí, este es un muy buen comentario. De hecho, ya os pasaré el enlace, lo puedo poner en el chat 01:00:40

al final de la presentación. Hay una fracción de todos los proyectos que se han realizado. 01:00:50

También depende mucho del profesor que está siguiendo esos trabajos. Por ejemplo, Dani es muy activo 01:00:57

en este tema y hay una gran mayoría de los proyectos que se han realizado y que están en la web 01:01:09

que fueron realizados por sus estudiantes. Hay otros proyectos, pero yo te diría que si miras los trabajos 01:01:18

que se han realizado, no solo hay trabajos de investigación, sino también hay algunos pósters 01:01:29

y tendrás una buena visión de lo que se puede hacer y de lo que básicamente queda por hacer también. 01:01:35

Ya os paso el enlace. En esta presentación también que he hecho, que he realizado hoy, 01:01:46

también hay transparencias bonus para explicar cómo interaccionan diferentes tipos de partículas 01:01:54

con la radiación. Podéis ver trabajos de investigación, un poco comentar también los diferentes ámbitos 01:02:02

en los que se han realizado estos, que son desde dosimetría y radiación de fondo, medida de rayos cósmicos, 01:02:16

en salud, por ejemplo, radiografía, detectores de partículas o incluso Dani podría hablar mucho más de este tema. 01:02:24

Hablaré. Hablarás. Uno de sus estudiantes y de hecho es muy impresionante para mí de ver este tipo de trabajos 01:02:33

como por ejemplo el de este chico, el Rubén Castaño, que básicamente entrenó una red neuronal para identificar 01:02:49

diferentes tipos de partículas a través de las trazas que éstas depositan en el detector Minipix. 01:02:58

O sea, los recursos y las posibilidades son muchas en una gama de asignaturas que pueden ir desde física, química, tecnología, electrónica, etc. 01:03:08

Muy bien, muchísimas gracias. ¿Alguna preguntilla más, la última? No. Bueno, pues muchas gracias de nuevo, Rafael. 01:03:26

Gracias a vosotros. 01:03:34

Y nada, seguiremos en contacto porque esto, en fin, esto pinta bien, esto está bonito y vemos que va progresando. 01:03:35

Ahora, si me disculpáis, he parado un momento. 01:03:41

Idioma/s:
Autor/es:: Rafael Ballabriga Suñé para el Centro de Formación para Intercambios Internacionales (CFII)
Subido por:: Cie madrid
Licencia:: Reconocimiento - No comercial - Compartir igual
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Fecha:: 4 de mayo de 2023 - 0:27
Visibilidad:: Público
Centro:: C RECURSOS CENTRO DE FORMACIÓN PARA INTERCAMBIOS INTERNACIONALES
Duración:: 1h′ 03′ 55″
Relación de aspecto:: 1.78:1
Resolución:: 1920x1080 píxeles
Tamaño:: 1.28