Lungo tutto il percorso di progettazione il lavoro procede con cicli di disegno e simulazione di verifica. Gli obiettivi da raggiungere sono molteplici, dal funzionamento del sensore, a quello dell'elettronica, fino ad arrivare al sistema completo.
A seconda del dispositivo o parte dell'apparato che si deve simulare vengono impiegati strumenti diversi: singoli dispositivi come un sensore vengono simulati attraverso TCAD, i circuiti elettrici tramite SPICE ed il sistema completo con software realizzato ad hoc per rappresentare le interazioni dell'insieme partendo dalle uscite dei simulatori di base, integrate con le informazioni di progetto della logica che le unisce. Di seguito vengono presentate alcune tipologie di simulazione, insieme all'uso che ne viene fatto.
Un rivelatore di raggi X deve essere sensibile in un ben determinato intervallo di energie dei fotoni. Dal punto di vista dell'esperimento nel quale verrà utilizzato è importante stimarne l'efficienza quantica in funzione della sua struttura. La figura riporta, a sinistra, il risultato di una simulazione TCAD di una porzione tipica della zona attiva di un sensore a deriva lineare che mette in evidenza la regione passiva esistente tra due elettrodi di deriva. Il profilo delle regioni insensibili permette il calcolo dell'efficienza quantistica, in funzione di energia ed angolo di incidenza, riportata nel grafico a destra.

Spesso i rivelatori di radiazione ionizzante si trovano ad operare in ambienti ostili, ad esempio a causa della stessa radiazione da misurare, oppure radiazione di altro tipo che raggiunge i componenti del rivelatore. I dispositivi a semiconduttore sono sensibili agli effetti provocati dal danno da spiazzamento (displacement damage, urti nucleari che spostano gli atomi dal reticolo cristallino) e dalla dose totale accumulata nelle parti isolanti (total dose). I danni del primo tipo comportano un aumento della correnter dei sensori, mentre la total dose provoca la produzione di intensi campi elettrici che possono portare a scariche elettriche che danneggiano le strutture interessate.
La simulazione dell'interazione della radiazione con la materia del sensore permette di valutare l'effetto dell'esposizione del dispositivo e stimarne la durata operativa entro i limiti richiesti dall'applicazione. Nel grafico a sinistra della figura qui sotto viene riportato l'hardness factor calcolato per un rivelatore a deriva lineare di grande area bombardato dai protoni intrappolati nelle fasce di radiazioni attorno alla Terra. Il grafico a destra, invece, mostra lo spettro differenziale del danno da spiazzamento per i sensori dei due strumenti che furono proposti per la missione spaziale LOFT.

Rivelatori complessi richiedono simulazioni a livello di sistema. Nel caso di un rivelatore multi-elemento per misurare un flusso intenso di radiazione occorre tener conto del tempo morto di ciascun elemento e della variazione nella distribuzione di intensità tra i diversi elementi. Per studiare un sistema di correzione delle misure in presenza di una elevata frazione di tempo morto occorre disporre di una buona simulazione di sistema del rivelatore. La prossima figura mostra il confronto tra le misure di un elemento del rivelatore AXPiDe e la sua simulazione in una campagna di misure della fluorescenza emessa da un campione di rame metallico esposto ad un fascio di fotoni da 9 keV presso la linea di fascio XAFS di Elettra Sincrotrone Trieste.

Per convalidare la simulazione del rivelatore sono state confrontate misure effettuate in condizioni estreme. L'istogramma a sinistra confronta lo spettro acquisito dal rivelatore, ad un tempo di picco di 0,7 µs, con un tasso incidente di fotoni superiore a 2 MHz: la simulazione riproduce ottimamente lo spettro in tutta la sua forma, compreso il pileup di vari ordini. Nel grafico a destra sono confrontati i tempi morti totali e quelli dovuti al solo reset dello stesso elemento del rivelatore quando, invece, usa un tempo di picco di 1,5 µs: anche in questo caso la simulazione segue fedelmente i dati sperimentali.
La realizzazione di una simulazione così precisa ha permesso lo sviluppo di un sistema di correzione del tempo morto e del pileup che è stato verificato tramite analisi XANES dell'assorbimento all'edge K del titanio in un campione di TiO2 misurando la linea Kα della fluorescenza del titanio a diverse distanze dal campione.

I tre grafici a sinistra mostrano i successivi passi di correzione a partire dai conteggi del rivelatore, che in pos1 raggiunge la saturazione nei conteggi. Il grafico a destra mostra il confronto tra le quattro misure corrette dopo aver fatto la normalizzazione per il salto di assorbimento attraverso l'edge K. Gli eventuali errori nella correzione dei dati possono essere evidenziati dalle differenti altezze dei tre picchi che precedono l'edge. Il riquadro mostra che l'errore residuo è molto piccolo, convalidando così il sistema.





