В последнее время в экспериментальной физике актуальными становятся задачи по регистрации тяжёлых ионов высоких энергий. Строятся новые коллайдеры и ставятся уникальные физические эксперименты (NICA, SKIF) по изучению кварк-глюонной материи при столкновении тяжёлых ионов. Для регистрации тяжёлых заряженных частиц высоких энергий необходима разработка высокочувствительных, радиационностойких полупроводниковых детекторов.
В основном для детекторов используют кристаллы GaAs, выращенные методом Чехральского. Материал получается c глубокими донорными EL2 центрами, что накладывает ограничение в дальнейшем использовании арсенида галлия. При ионизации EL2+ увеличивают сечение захвата электронов (~10–13см2) [1] и уменьшает время жизни электронов до 0.2 нс, что приводит к низкой эффективности сбора заряда [2]. В таком виде материал пригоден только для создания различных полупроводниковых компонентов, но в создании детекторов материал накладывает многочисленные ограничения на конечный продукт.
На данный момент проводятся исследования для создания более эффективных полупроводниковых детекторов на основе GaAs:Cr. Используя подход компенсации слоев были получены слои арсенида галлия электронного типа, которые компенсировалась акцепторной примесью хрома вследствие чего получается высокоомный материал. Сопротивление такого материала близко к полуизолирующему GaAs и составляет порядка 109Ом·см [3,4], что дает приемлемый уровень шумов, обусловленный темновыми токами. Распределение электрического поля по всей толщине сенсора, после компенсации, становится равномерным.
Наиболее популярной технологией использование полупроводниковых материалов — производство гибридных пиксельных детекторов на их основе. Технология подразумевает микросхему считывания и чувствительный слой полупроводника, соединённые пайкой методом перевернутого кристалла (рисунок 1). Конструкция гибридного детектора представляет из себя две основные части — сенсор (в данной работе изготовленный из арсенида галлия, компенсированного хромом GaAs:Cr) и микросхема считывания. Данные микросхемы можно использовать для получения рентгеновских изображений, использования в рентгеновской компьютерной томографии и для решения различных прикладных задач. Так как для изготовления микросхемы используется гибридная технология возможно использовать различные материалы чувствительных элементов: газовые камеры, микроканальные пластины и полупроводники [5].
Рис. 1. Структура гибридного пиксельного детектора
Одним из направления гибридных пиксельных микросхем является семейство Medipix. Разработкой данной микросхемы занимается международная коллаборация Medipix [6], основанная Европейском центре ядерных исследований. Одной из первых микросхем является Medipix1 разработка которой началась еще 90-х годах ХХ века и до сих пор продолжается. Принцип работы гибридного детектора основывался на счете единичных фотонов. В 1997 году была создана первая микросхема Medipix1 на основе CMOS технологии суммарной толщиной 1 мкм, матрица разрешением 64 на 64 квадратных пикселя, с шагом 170 мкм. Развитие данного направление позволило уменьшить размеры микросхемы и потребляемую мощность, увеличить вычислительную мощность, а также увеличить функционал при тех же размерах пикселя.
Следующее поколение гибридных детекторов с микросхемами Medipix полученная информация представлялась в виде кадров, в данном режиме работы частицы регистрировались в определенное время, когда открыт затвор, после него наступало «мертвое» время, которое уходило на считывание и обработку информации с матрицы. Во время разработки 3-го поколения микросхем был реализован режим работы без триггера информация поступает сразу после прохождения частицы через детектор и зарегистрирована пикселем. В Medipix3 добавлен режим непрерывного чтения-записи дынных. Информация с детектора поступает в режиме реального времени без «мертвого» времени и доступно во всех режимах работы микросхемы.
Работа микросхем Medipix заключается в следующем: прохождение ионизирующей частицы генерирует, в чувствительной области детектора, заряды, которые дрейфуют к электродам под действием электрического поля. Таким образом наводится импульс на входе усилителя каждого пикселя. Время сбора заряда на контактах очень мало, выходной сигнал представляется в виде δ-импульса тока, а интеграл сигнала равен суммарному наведенному заряду. Для записи информации амплитуда усиленного выходного сигнала должна быть выше уровня напряжения в схеме дискриминатора. Записанное событие обрабатывается цифровой частью микросхемы. Настройка параметров производится с помощью регулируемых по напряжению и току цифро-аналоговых преобразователей.
Во время производства пиксели в матрице могут отличаться по различным причинам, что приводит к дисперсии энергетических порогов и погрешности измерения в различных пикселях. Для устранения или сведения к минимуму влияния данного дефекта используется дополнительные источники тока. Настройка источников может производиться как для каждого пикселя, так и для всех с помощью битов ЦАП. Чаще всего для выравнивания характеристик пикселей используется сканирование по шумовому уровню усилителя, что позволяет подобрать индивидуальное значение порога каждого пикселя.
Данные микросхемы позволят использовать арсенид галлия в новых направлениях, как для регистрации частиц с малой энергией, так и большой, что делает актуальным исследование и разработку новых гибридных детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом.
Литература:
- The Medipix3RX: a high resolution, zero dead-time pixel detector readout chip allowing spectroscopic imaging / R. Ballabriga [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2013. — Vol. 8, no. 02. — P. C02016.
- FITPix–fast interface for Timepix pixel detectors / V. Kraus [et al.] // Journal of Instrumentation. –– 2011. –– Vol. 6, no. 01. –– P. C01079.
- Толбанов О. П. Сенсоры ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестн. Том. Гос-ного ун-та. Серия «Физика». — 2005. — № 285. — С.155–163.
- Granja C. et al., 2011 Response of the pixel detector Timepix to heavy ions, Nucl. Instrum. Meth. A 633 S198
- Ballabriga, R. Asic developments for radiation imaging applications: The medipix and timepix family / R. Ballabriga, M. Campbell, X. Llopart // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. –– 2018. –– Т. 878. –– С. 10––23.
- Medipix Collaboration website. –– 2018. –– URL: https://medipix.web.cern.ch
