В современных цифровых диагностических системах нового поколения используются полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия компенсированного хромом (GaAs:Cr). Данная структура перспективна для создания радиационно стойких, высокоэффективных детекторов ионизирующих излучений. Одним таким направлением использования является строящееся и построенные коллайдеры на которых проводятся уникальные эксперименты.
Разрабатываемые детекторы для исследования физики частиц хорошо зарекомендовали себя и находят различные применения в других областях науки. В Европейском центре ядерных исследований (CERN) используют гибридные полупроводниковые для регистрации треков частиц. Гибридный пиксельный детектор состоит из двух основных элементов: чувствительный слой детектора и микросхема считывания.
Рис. 1. Структура гибридного пиксельного детектора
Малый размер пикселя и режим счета одиночных фотонов, дают возможность получить рентгеновские изображения с высоким пространственным разрешением при малом уровне шумов, что дает преимущество в использовании данных пиксельных детекторов, для получения рентгеновских изображений, перед существующими детекторами.
Материал для использования в гибридных пиксельных детекторах может быть различен в зависимости от условий эксперимента. Большая часть изготовленных детекторов использует в качестве чувствительного элемента кремний, у которого, как и любого материала есть свои плюсы и минусы. При хорошей изученности кремния, однородности и доступности, обладает недостатками, которые сильно ограничивают его использования в детекторах, эффективность регистрации гамма-квантов с энергией более 30кэВ составляет меньше 25 % при толщине чувствительного элемента 1мм, малая радиостойкость при комнатной температуре. Направления, где используются переходы к большим энергиям квантов, такие как рентгеновская компьютерная микротомография и рентгеновская радиография плотных веществ инициируют исследования новых материалов для использования в гибридных детекторах (например, арсенид галлия).
Одним из направления гибридных пиксельных микросхем является семейство Timepix, которая является модификацией микросхемы Medipix2/2MXR. Для изготовления микросхемы использовалась CMOS технология, размер пикселя составлял 55мкм, разрешение микросхемы 256х256. Микросхема позволяла работать в одной из двух режимов [1]:
- счетный режим — происходит счет частиц с энергией выше заданного порога
- режим энергетического «окна» — считаются частицы с энергией, находящейся в определенном заданном диапазоне.
Отличие микросхемы Timepix [2], от микросхемы Medipix2/2MXR состояла в дополнительных режимах, основанные на временной информации о сигнале, возникшем при прохождении частицы. Архитектура микросхемы дает возможность настроить каждый пиксель на один из трех режимов работы:
- Medipix или счетный режим: производится счет количества превышения заданного порога энергии (полученное число показывает количество зарегистрированных частиц)
- Time-over-Threshold (TOT) или режим измерения энергии: измерение длительности нахождения уровня сигнала с усилителя над порогом по энергии;
- Time-of-arrival (TOA) или режим измерения времени: производится подсчет времени превышения заданного порога и до момента закрытия временного окна
Во 2 и 3 режимах счет происходит с помощью тактового генератора, работающего на частоте в диапазоне 2–50МГц. Максимальное значение счетчика ограничивается 11810 отсчетами. При переполнении счетчик не обнуляется.
В детекторах используемых для регистрации частиц в большинстве случаев используют режим ТОТ, наряду с измерением амплитуды сигнала.
Рис. 2. Принцип метода Time-over-Threshold (ТОТ)
Спад сигнала происходит линейно относительно базового уровня, таким образом длительность сигнала с усилителя пропорциональна входному заряду и энергии частицы, для определения данных зависимостей требуется калибровка.
Следующей эволюцией микросхемы стала Timepix3 [3]. Размер пикселя остался прежним (55мкм) и разрешение матрицы 256х256 пиеселей. Основные отличия новой микросхемы Timepix3 заключается в переходе на технологический процесс 130нм. Пикселей теперь могут работать в режимах Time-over-Threshold и Time-of-arrival одновременно. Режим TOA получил более высокое временное разрешение в 1.56нс. Режим работы микросхемы стал безтриггерным, что дало увеличение производительности и увеличение максимального потока частиц (до 80 млн. событий в секунду), которые микросхема могла обработать.
Данные характеристики делает микросхему Timepix3 востребованной как для полупроводниковых, так и для газовых детекторов. Развитие микросхем делает актуальным и исследования в плане чувствительного материала способного регистрировать большее число событий.
Литература:
- Medipix2, a 64k pixel read out chip with 55 µm square elements working in single photon counting mode / X. Llopart [et al.] // Nuclear Science Symposium Conference Record, 2001 IEEE. Vol. 3. –– 2001. –– P. 1484––1488.
- Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements / X. Llopart [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. –– 2007. –– Vol. 581, no. 1. –– P. 485––494.
- Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA/ToT and sparse readout / T. Poikela [et al.] // Journal of instrumentation. –– 2014. –– Vol. 9, no. 05. –– P. C05013.
