«Desarrollo y Optimización de Nuevas Técnicas de Lectura para Sensores de Múltiples Lecturas No Destructivas para Detección de Señales Débiles», se denomina el Trabajo Final de Grado (TFG) presentado por el ahora ingeniero Blas Junior Irigoyen Giménez, como prueba final para egresar de la carrera de Ingeniería Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (FIUNA). La defensa del trabajo se realizó el pasado 27 de Diciembre de 2023 en la Institución.

Los sensores de imágenes son dispositivos semiconductores compuestos por una matriz de pıxeles. Los fotones incidentes producen una ionización de carga en el detector colectada por los píxeles del arreglo. Existen diferentes tipos de sensores siendo los más comunes los basados en tecnologıas CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) y los basados en dispositivos de carga acoplada, conocidos como CCDs (Charge-Coupled Devices). Su utilización se extiende desde cámaras de uso comercial, como las presentes en los teléfonos móviles, hasta aplicaciones cientıficas. Dependiendo del sensor, es posible adquirir tanto señales producidas por fotones de longitud de onda en el rango visible como fuera de este. Los CCDs para uso cientıfico han tenido un gran impacto desde la década de los 80s, debido a su alta sensibilidad para la obtención de imágenes. Hoy en dıa se dispone de CCDs optimizados para diferentes campos, algunos de los más destacados son la astronomıa, espectroscopıa, medicina, robótica, microscopıa, imágenes satelitales, y para la medición de diferentes señales fısicas, como luz visible, luz infrarroja, luz ultravioleta, rayos X, diferentes partıculas subatómicas, etc.

La capacidad de lectura no destructiva de los actuales dispositivos de carga acoplada (CCD) tipo Skipper ha demostrado ser una potente técnica para reducir la limitación de ruido de los dispositivos sensores de imágenes y señales débiles convencionales de silicio, incluso a niveles que permiten el recuento de un solo fotón o un solo electrón. La reducción del ruido se consigue dedicando un tiempo extra a realizar varias mediciones de la carga del mismo pixel. Este tiempo extra ha sido una limitación para el uso más amplio de la tecnología en aplicaciones de fısica de partıculas y astronomıa más allá de su exitoso uso para búsquedas de materia oscura.

En el Trabajo Final de Grado se presentó el desarrollo y prueba de concepto de una nueva arquitectura de sensores que utiliza múltiples amplificadores de puerta flotante no destructivos para conseguir un ruido de lectura por debajo del electrón en un detector CCD. Este dispositivo de carga acoplada con amplificadores múltiples de sensado (MAS-CCD) puede realizar múltiples mediciones de carga independientes con cada amplificador. Estas medidas de los múltiples amplificadores pueden combinarse para reducir el ruido de lectura sin la penalización del tiempo de lectura extra del esquema de muestreo repetitivo del Skipper CCD.

Se demostró la capacidad de transferir carga de forma no destructiva entre amplificadores y la combinación de mediciones de amplificadores individuales para reducir el ruido. Se logró niveles de transferencia fotónica, linealidad de coleccion de carga, eficiencia de transferencia de carga y capacidad de full well cercanos a lo dispositivos CCD convencionales y Skipper. Este detector tiene aplicaciones interesantes para obtenciones de imagen cuántica, microscopıa, interacciones de baja energía, y, por sobre todo, sus características demostradas en este trabajo, lo convierten en candidato ideal para su uso en astronomía, siendo identificado como principal tecnología para futuros proyectos. El desarrollo de este trabajo incluyó una estancia de investigación de 6 meses en el Fermi National Accelerator Laboratory (Batavia, IL. U.S.A). Parte del desarrollo y los resultados mostrados en este trabajo fueron publicados en un artículo y presentados en una presentación oral denominada «Fast Single-Quantum Measurement with a Multi-Amplifier Sensing Charge-Coupled Device» en el Coordinating Panel of Advanced Detectors (CPAD) Workshop, Stanford Linear Accelerator Center 2023.