Medipix - это семейство пиксельных детекторов для подсчета фотонов и отслеживания частиц, разработанных в рамках международного сотрудничества и размещенного в ЦЕРНе . [1]
Дизайн [ править ]
Это гибридные детекторы, поскольку слой полупроводникового сенсора соединен со слоем обрабатывающей электроники.
Сенсорный слой представляет собой полупроводник, такой как кремний , GaAs или CdTe, в котором падающее излучение создает электронную дырку / облако. Затем заряд накапливается на пиксельных электродах и через выпуклые связи передается на слой КМОП- электроники.
Пиксельная электроника сначала усиливает сигнал, а затем сравнивает амплитуду сигнала с предварительно установленным уровнем дискриминации (порогом энергии). Последующая обработка сигнала зависит от типа устройства. Стандартный детектор Medipix увеличивает счетчик в соответствующем пикселе, если сигнал превышает уровень дискриминации. Устройство Medipix также имеет верхний уровень дискриминации, и, следовательно, могут приниматься только сигналы в диапазоне амплитуды (в пределах энергетического окна).
Помимо подсчета, устройства Timepix предлагают еще два режима работы. Первый - это так называемый режим «Time-over-Threshold» ( аналого-цифровой преобразователь типа Уилкинсона ). Это режим, в котором счетчик в каждом пикселе записывает количество тактов, в течение которых импульс остается выше уровня дискриминации. Это число пропорционально энергии регистрируемого излучения. Этот режим полезен для приложений отслеживания частиц или для прямой спектральной визуализации.
Второй режим микросхемы Timepix - «Время прихода», в котором счетчики пикселей регистрируют время между срабатыванием триггера и обнаружением квантов излучения с энергией выше уровня дискриминации. Этот режим работы находит применение в приложениях Time of Flight (TOF), например, в нейтронной визуализации.
Таким образом, каждое отдельное попадание излучения обрабатывается встроенной в каждый пиксель электроникой, поэтому устройство можно рассматривать как 65 536 индивидуальных счетных детекторов или даже спектрометров. Дискриминаторы энергии регулируются. Следовательно, сканирование с их уровнем позволяет измерять полный спектр входящего излучения и, таким образом, обеспечивает получение полного спектрального рентгеновского изображения.
Medipix-2, Timepix и Medipix-3 имеют размер 256 × 256 пикселей, каждый квадрат 0,055 мм (55 мкм), что составляет общую площадь 14,08 мм × 14,08 мм. Детекторы большей площади могут быть созданы путем соединения нескольких микросхем с более крупными монолитными датчиками. Обычно используются детекторы размером от 2х2 до 2х4 микросхем. С помощью бескрайней сенсорной технологии можно создать еще более крупные участки без зазоров. Каждый чип Medipix / Timepix имеет собственный датчик. Эти сборки выложены плиткой рядом друг с другом для создания массивов детекторов почти произвольного размера (самая большая сборка, использующая эту технологию, имеет 10x10 чипов, следовательно, 14x14 см и 2560x2560 пикселей [2] ).
Стандартная однокристальная несущая плата Medipix с USB-считыванием.
WidePix 10x10 с разрешением 2560x2560 пикселей (6,5 мегапикселей) и постоянно чувствительной областью.
Сравнение с существующими технологиями [ править ]
Пиксельные детекторы с подсчетом фотонов представляют собой следующее поколение детекторов радиационной визуализации. Технология счета фотонов преодолевает ограничения современных устройств формирования изображений. Сравнение счета фотонов с существующими технологиями приведено в следующей таблице:
| Пленочные эмульсии | Устройства, интегрирующие зарядку | Пиксельные детекторы с подсчетом фотонов | |
|---|---|---|---|
| Принцип работы | Изменение химических или физических свойств после взаимодействия с излучением. Требует специального лечения (проявка, сканирование,…). | Ионизирующее излучение создает свет, а затем электрический заряд, который собирается и интегрируется в пиксели ( ПЗС , КМОП-сенсоры , плоские панели и т. Д.). | Ионизирующее излучение создает заряд непосредственно в датчике. Заряд сравнивается с пороговым значением и подсчитывается в пикселях. |
| Преимущества | Очень высокое разрешение, низкий уровень шума, дешево. | Высокое пространственное разрешение. Низкая цена. | Хорошее пространственное разрешение, высокая скорость считывания, отсутствие шума, отсутствие темнового тока, неограниченный динамический масштаб, дискриминация по энергии |
| Недостатки | Нелинейный отклик, ограниченный динамический масштаб, требует обработки | Темновой ток, шум, ограниченная динамическая шкала | Высокая цена. |
Версии [ править ]
Medipix-1 был первым устройством семейства Medipix. Он имел 64x64 пикселя с шагом 170 мкм. Пиксели содержали один компаратор (порог) с регулировкой смещения 3 бита на пиксель. Минимальный порог составлял ~ 5,5 кэВ. Глубина счетчика составляла 15 бит. Максимальная скорость счета на пиксель составляла 2 МГц на пиксель.
Medipix-2 является преемником Medipix-1. Шаг пикселей был уменьшен до 55 мкм, а размер массива пикселей - 256x256 пикселей. Каждый пиксель имеет два уровня дискриминации (верхний и нижний порог), каждый из которых настраивается индивидуально в пикселях с использованием 3-битного смещения. Максимальная скорость счета составляет около 100 кГц на пиксель (однако в пикселях с площадью в 9 раз меньше по сравнению с Medipix-1).
Medipix-2 MXR - это улучшенная версия устройства Medipix-2 с улучшенной температурной стабильностью, защитой от переполнения счетчика пикселей, повышенной радиационной стойкостью и многими другими улучшениями.
Timepix - это устройство, концептуально происходящее от Medipix-2. Он добавляет к пикселям еще два режима, помимо подсчета обнаруженных сигналов: превышение порогового значения (TOT) и время прибытия (TOA). Обнаруженная высота импульса записывается в счетчик пикселей в режиме ТОТ. В режиме TOA измеряется время между триггером и приходом излучения в каждый пиксель.
Medipix-3 - это последнее поколение счетчиков фотонов для рентгеновской визуализации. Шаг пикселя остается таким же (55 мкм), как и размер массива пикселей (256x256). Он имеет лучшее разрешение по энергии за счет корректировки распределения заряда в реальном времени. Он также имеет несколько счетчиков на пиксель, которые можно использовать в нескольких различных режимах. Это позволяет производить непрерывное считывание и до восьми пороговых значений энергии.
Timepix-3 является преемником чипа Timepix. Одно из самых больших отличительных изменений - подход к считыванию данных. Все предыдущие чипы использовали считывание по кадрам, т.е. считывалась сразу вся матрица пикселей. Timepix-3 имеет считывание на основе событий, при котором значения, записанные в пикселях, считываются сразу после попадания вместе с координатами пикселя попадания. Таким образом, микросхема генерирует непрерывный поток данных, а не последовательность кадров. Следующее существенное отличие от предыдущего чипа Timepix - это возможность измерять амплитуду попадания одновременно со временем прихода. Другие параметры, такие как энергия и временное разрешение, также были улучшены по сравнению с оригинальным чипом Timepix.
Считывающая электроника [ править ]
Цифровые данные, записанные устройствами Medipix / Timepix, передаются на компьютер через считывающую электронику. Считывающая электроника также отвечает за настройку и контроль параметров детектора. В рамках сотрудничества с Medipix было разработано несколько систем считывания.
Мурос [ править ]
Muros был одной из первых считывающих систем детекторов Medipix. Muros был разработан в Nikhef , Амстердам , Нидерланды . Это было относительно компактное устройство считывания, обеспечивающее доступ ко всем функциям детектора. Это позволяло максимальную частоту кадров около 30 кадров / с с одним чипом.
Интерфейс USB [ править ]
Эта электроника была разработана в IEAP - CTU , Чешская Республика . Он обеспечивает более низкую частоту кадров по сравнению с Muros, но электроника была встроена в коробку размером не больше пачки сигарет. Более того, не требовалось никакой специальной аппаратной карты ПК, как это было в случае с Muros. Таким образом, интерфейс USB быстро стал наиболее часто используемым устройством считывания данных в рамках сотрудничества Medipix и его партнеров.
Relaxd [ править ]
Relaxd - это считывающая электроника, разработанная в Nikhef . Данные передаются на ПК через соединение Ethernet 1 Гбит / с. Максимальная частота кадров составляет 100 кадров / с.
Fitpix [ править ]
Fitpix - это следующее поколение интерфейса USB, разработанное группой в Праге. Электроника реализует параллельное считывание Medipix / Timepix, поэтому максимальная частота кадров достигает 850 кадров / с. Он также поддерживает последовательное считывание с частотой кадров 100 кадров / с.
Минипикс [ править ]
Minipix - это миниатюрное устройство со встроенным чипом и считывающей электроникой, разработанное ADVACAM sro в Праге. Вся система имеет размер флешки . Некоторые из этих устройств использовались на Международной космической станции в качестве систем радиационного контроля. [3]
Спидр [ править ]
Spidr - это мощная считывающая электроника для микросхемы Timepix-3. Он находится в разработке в Nikhef .
Системы Экскалибур и Мерлин [ править ]
Обе системы разработаны в Diamond Light Source , Великобритания, для считывания показаний Medipix3 и приложений на синхротронах. Merlin доступен с датчиками CdTe от Quantum Detectors, которые работают над дальнейшими разработками с Diamond Light Source.
Система LAMBDA [ править ]
Lambda - это высокоскоростная (2000 кадров в секунду) система считывания с большой площадью (12 чипов), разработанная в DESY . Лямбда доступна с датчиками с высоким Z, такими как GaAs (арсенид галлия) и CdTe (теллурид кадмия).
МАРС [ править ]
MARS - это устройство считывания данных Gigabit Ethernet, вмещающее до 6 детекторов Medipix 2 или Medipix 3. Электроника была разработана в Университете Отаго , Крайстчерч , Новая Зеландия .
Приложения [ править ]
Рентгеновское изображение [ править ]
Рентгеновская визуализация - это основная область применения детекторов Medipix. Medipix предлагает в области рентгеновских изображений, в частности, преимущество в более высоком динамическом диапазоне и энергетической чувствительности. [4] Примеры рентгеновских изображений из выбранных областей применения рентгеновских изображений:
Биология : Тропический таракан.
Биология : Жужелица.
Неразрушающий контроль : образец металлического композита.
Неразрушающий контроль : композитный образец бумажной сердцевины.
Дозиметрия космического излучения [ править ]
Детекторы на основе Timepix от Medipix2 Collaboration использовались на Международной космической станции с 2013 года и во время первого летного испытания (EFT-1) нового многоцелевого экипажа НАСА Orion в декабре 2014 года. Текущие планы предусматривают использование аналогичных устройств для быть управляемым в качестве основного радиационного монитора во время будущих пилотируемых миссий Ориона.
Другое [ править ]
Детекторы могут также найти применение в астрономии , физике высоких энергий , медицинской визуализации и рентгеновской спектроскопии .
История [ править ]
- Medipix-1: Начало 90-х.
- Medipix-2: конец 90-х.
- Medipix-3: Сотрудничество создано в 2006 году.
- Medipix-4: Сотрудничество сформировалось в 2016 году.
Ссылки [ править ]
- ^ "Редакция" . Радиационные измерения . 139 : 106483. 2020. DOI : 10.1016 / j.radmeas.2020.106483 . ISSN 1350-4487 .
- ^ Камера Timepix с большой площадью 6.5MPix
- ^ "Камеры ADVACAM". https://advacam.com/minipix . Внешняя ссылка в
|website=( помощь ); Отсутствует или пусто|url=( справка ) - ^ X-ray.camera
Внешние ссылки [ править ]
- Домашняя страница совместной работы Medipix
- Соавторы Medipix3
- Страница Medipix3 на веб-сайте ЦЕРН по передаче знаний и технологий