Медипикс
Medipix — это семейство пиксельных детекторов для подсчета фотонов и отслеживания частиц, разработанное международным сотрудничеством под эгидой CERN . [1]
Дизайн
[ редактировать ]
Это гибридные детекторы , поскольку слой полупроводникового датчика 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 собирается на пиксельных электродах и через контактные связи переносится на слой электроники КМОП .
Пиксельная электроника сначала усиливает сигнал, а затем сравнивает амплитуду сигнала с заранее установленным уровнем дискриминации (энергетическим порогом). 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, поэтому могут быть приняты только сигналы в пределах диапазона амплитуды (в пределах энергетического окна).
Устройства Timepix помимо подсчета предлагают еще два режима работы. Первый из них — так называемый режим «Time-over-Threshold» ( аналогово-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 работы чипа Timepix — «Время прибытия», в котором счетчики пикселей фиксируют время между срабатыванием и обнаружением квантов излучения с энергией выше уровня дискриминации. Этот режим работы находит применение во времяпролетных приложениях (TOF), например, при нейтронной визуализации.
Каждое отдельное попадание излучения обрабатывается электроникой, интегрированной таким образом в каждый пиксель, поэтому устройство можно рассматривать как 65 536 отдельных счетных детекторов или даже спектрометров. Дискриминаторы энергии регулируются. Поэтому, сканируя их уровень, можно измерять во всех диапазонах частот приходящего излучения; что позволяет получить спектроскопическую рентгеновскую визуализацию.
Medipix-2, Timepix и Medipix-3 имеют размер 256 × 256 пикселей, каждый квадрат 0,055 мм (55 мкм), образуя общую площадь 14,08 мм × 14,08 мм. Детекторы большей площади можно создать путем приклеивания множества чипов к более крупным монолитным датчикам. Обычно используются детекторы размером от 2x2 до 2x4 чипов. Еще большие области без зазоров можно создать с помощью сенсорной технологии без краев. Каждый чип Medipix/Timepix имеет свой собственный датчик. Эти сборки располагаются рядом друг с другом, образуя матрицы детекторов почти произвольного размера (самая большая сборка, использующая эту технологию, имеет чипы 10x10, следовательно, 14x14 см и 2560x2560 пикселей). [2] ).
Стандартная одночиповая несущая плата Medipix со считыванием данных через USB.
Счетверенная плата: четыре чипа Medipix2 с одним общим сенсорным чипом, обеспечивающим большую площадь с ограниченным мертвым пространством.
Передняя часть Экскалибура. Каждый из трех датчиков имеет 16 чипов, соединенных с обратной связью.
WidePix 10x10 с разрешением 2560x2560 пикселей (6,5 Мпикселей) и непрерывной чувствительной областью.
Сравнение с существующими технологиями
[ редактировать ]Пиксельные детекторы со счетчиком фотонов представляют собой следующее поколение детекторов радиационной визуализации. Технология подсчета фотонов преодолевает ограничения существующих устройств обработки изображений. Сравнение подсчета фотонов с существующими технологиями представлено в следующей таблице:
| Пленочные эмульсии | Устройства, интегрирующие заряд | Пиксельные детекторы со счетчиком фотонов | |
|---|---|---|---|
| Принцип работы | Изменение химических или физических свойств после взаимодействия с радиацией. Требует специального обращения (проявка, сканирование и т. д.). | Ионизирующее излучение создает свет, а затем электрический заряд, который собирается и интегрируется в пикселях ( CCD , датчики CMOS , плоские панели , ...). | Ионизирующее излучение создает заряд непосредственно в датчике. Заряд сравнивается с порогом и подсчитывается в цифровом виде в пикселях. |
| Преимущества | Очень высокое разрешение, низкий уровень шума, дешевизна. | Высокое пространственное разрешение. Низкая цена. | Хорошее пространственное разрешение, высокая скорость считывания, отсутствие шума, темнового тока, неограниченный динамический масштаб, энергетическая дискриминация. |
| Недостатки | Нелинейный отклик, ограниченный динамический масштаб, требует обработки | Темновой ток, шум, ограниченный динамический масштаб | Высокая цена. |
Версии
[ редактировать ]Medipix-1 был первым устройством семейства Medipix. Он имел 64x64 пикселя с шагом 170 мкм. Пиксели содержали один компаратор (порог) с 3-битной регулировкой смещения на пиксель. Минимальный порог составил ~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 пикселя был уменьшен до 55 мкм, а размер матрицы составляет 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 меньшей по сравнению с Medipix-1).
Medipix-2 MXR — это улучшенная версия аппарата Medipix-2 с улучшенной температурной стабильностью, защитой от переполнения счетчика пикселей, повышенной радиационной стойкостью и многими другими улучшениями.
Timepix — это устройство, концептуально основанное на Medipix-2. Помимо подсчета обнаруженных сигналов, он добавляет к пикселям еще два режима: Time-over-Threshold (TOT) и Time-of-Arrival (TOA). Обнаруженная высота импульса записывается в счетчике пикселей в режиме ТОТ. Режим TOA измеряет время между запуском и приходом излучения в каждый пиксель.
Medipix-3 — это новейшее поколение устройств подсчета фотонов для рентгеновской визуализации. Шаг пикселя остался прежним (55 мкм), как и размер пиксельного массива (256x256). Он имеет лучшее энергетическое разрешение за счет коррекции распределения заряда в реальном времени. Он также имеет несколько счетчиков на пиксель, которые можно использовать в нескольких различных режимах. Это обеспечивает непрерывное считывание и до восьми энергетических порогов.
Timepix-3 является преемником чипа Timepix. Одним из самых больших отличительных изменений является подход к считыванию данных. Все предыдущие чипы использовали покадровое считывание, т.е. считывалась вся пиксельная матрица сразу. Timepix-3 имеет считывание на основе событий, при котором значения, записанные в пикселях, считываются сразу после попадания вместе с координатами пикселя попадания. Таким образом, чип генерирует непрерывный поток данных, а не последовательность кадров. Следующее существенное отличие от предыдущего чипа Timepix — это возможность измерять амплитуду попадания одновременно с временем прибытия. Другие параметры, такие как энергия и временное разрешение, также были улучшены по сравнению с исходным чипом Timepix.
Timepix-4 является преемником чипа Timepix-3. Он имеет общие более высокие характеристики, например, его разрешение по времени прибытия составляет 195 пс, что в 8 раз быстрее, чем у Timepix-3, он также имеет большую пиксельную матрицу 512x448 пикселей и может обрабатывать в 8 раз более высокие скорости передачи данных. [3]
Считывающая электроника
[ редактировать ]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 Medipix было разработано несколько систем считывания.
Стены
[ редактировать ]Muros была одной из первых систем считывания детекторов Medipix. Muros был разработан в Нихефе , Амстердам , Нидерланды . Это было относительно компактное считывающее устройство, обеспечивающее доступ ко всем функциям детектора. Это позволяло поддерживать максимальную частоту кадров около 30 кадров в секунду для одного чипа.
USB-интерфейс
[ редактировать ]Эта электроника была разработана в IEAP - CTU , Чехия . Он обеспечивает меньшую частоту кадров по сравнению с Муросом, но электронику встроили в коробку размером не больше пачки сигарет. Более того, не требовалось никакой специальной аппаратной платы ПК, как в случае с Муросом. Таким образом, интерфейс USB быстро стал наиболее часто используемым устройством считывания в рамках сотрудничества Medipix и его партнеров.
Расслабленный
[ редактировать ]Relaxd — это считывающая электроника, разработанная в Nikhef . Данные передаются на ПК через соединение Ethernet 1 Гбит/с. Максимальная частота кадров находится на уровне 100 кадров/с.
Фитпикс
[ редактировать ]Fitpix — это новое поколение USB- интерфейса, 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
[ редактировать ]Minipix — это миниатюрное электронное устройство со встроенным чипом и считыванием, разработанное компанией ADVACAM sro в Праге . Вся система имеет размер USB-накопителя . Некоторые из этих устройств использовались на Международной космической станции в качестве систем радиационного контроля. [4]
Спидр3
[ редактировать ]Spidr3 — это мощное считывающее устройство для чипов TimePix3 и MediPix3. Скорость считывания MediPix3 составляет около 12500 кадров в секунду, а для TimePix3 — 120 миллионов просмотров в секунду. Данные передаются по мощному оптоволоконному соединению емкостью 10 ГБ. Чип и система считывания разработаны совместно с компаниями Nikhef и Amsterdam Scientific Instruments.
Системы Экскалибур и Мерлин
[ редактировать ]Обе системы разработаны в компании Diamond Light Source , Великобритания, для считывания данных Medipix3 и применения их на синхротронах. Merlin доступен с датчиками CdTe от Quantum Detectors, которые сотрудничают в дальнейшей разработке с Diamond Light Source.
ЛАМБДА-система
[ редактировать ]Lambda — это высокоскоростная (2000 кадров в секунду) система считывания большой площади (12 чипов), разработанная в DESY . Lambda доступен с вариантами датчиков с высоким Z, такими как GaAs (арсенид галлия) и CdTe (теллурид кадмия).
МАРС
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Рентгеновская визуализация
[ редактировать ]Рентгеновская визуализация является основной областью применения детекторов Medipix. Medipix предлагает области рентгеновской визуализации, в частности, преимущество в более высоком динамическом диапазоне и энергетической чувствительности. [5] Примеры рентгеновских изображений из выбранных областей применения рентгеновской визуализации:
Биология : Тропический таракан.
Биология : Жужелицы.
Неразрушающий контроль : Образец металлического композита.
Неразрушающий контроль : Композитный образец бумажной сердцевины.
Дозиметрия космического излучения
[ редактировать ]Детекторы на основе Timepix от сотрудничества Medipix2 используются на Международной космической станции с 2013 года, а также на первых летных испытаниях (EFT-1) нового многоцелевого пилотируемого корабля НАСА «Орион» в декабре 2014 года. Текущие планы предусматривают создание аналогичных устройств для будет использоваться в качестве основного монитора радиационной зоны в будущих пилотируемых миссиях Орион.
Другой
[ редактировать ]Детекторы также могут найти применение в астрономии , физике высоких энергий , медицинской визуализации и рентгеновской спектроскопии .
История
[ редактировать ]- Медипикс-1: Начало 90-х.
- Медипикс-2: Конец 90-х.
- Medipix-3: Коллаборация образована в 2006 году.
- Medipix-4: Коллаборация образована в 2016 году.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Розенфельд, Анатолий; Силари, Марко; Кэмпбелл, Майкл (2020). «Редакция» . Измерения радиации . 139 : 106483. Бибкод : 2020RadM..139j6483R . doi : 10.1016/j.radmeas.2020.106483 . ISSN 1350-4487 .
- ^ Камера Timepix большой площади 6,5 Мпикс.
- ^ Timepix4, чип считывания пиксельного детектора большой площади, который можно разложить на 4 стороны, обеспечивая биннинг временных меток менее 200 пс.
- ^ «Камеры ADVACAM» .
- ^ Рентгеновская камера.