Гибридный пиксельный детектор

Гибридные пиксельные детекторы — это тип детектора ионизирующего излучения , состоящий из массива диодов на основе полупроводниковой технологии и связанной с ними электроники. Термин «гибрид» связан с тем фактом, что два основных элемента, из которых построены эти устройства, полупроводниковый датчик и микросхема считывания (также известная как специализированная интегральная схема или ASIC), производятся независимо, а затем электрически соединяются посредством процесса ударного соединения . Ионизирующие частицы обнаруживаются, когда они создают электронно-дырочные пары в результате взаимодействия с сенсорным элементом, обычно изготовленным из легированного кремния или теллурида кадмия . Считывающая ASIC сегментирована на пиксели, содержащие необходимую электронику для усиления и измерения электрических сигналов, индуцируемых поступающими частицами в сенсорном слое.

Гибридные пиксельные детекторы, предназначенные для работы в однофотонном режиме, известны как гибридные детекторы подсчета фотонов (HPCD). Эти детекторы предназначены для подсчета количества попаданий за определенный интервал времени. Они стали стандартом для большинства источников синхротронного света и рентгеновского излучения . приложений для обнаружения ^[1]

История

Первые гибридные пиксельные детекторы были разработаны в 1980-х и 90-х годах для экспериментов по физике частиц высоких энергий в ЦЕРН . ^[2] С тех пор многие крупные коллаборации продолжали разрабатывать и внедрять эти детекторы в свои системы, например эксперименты ATLAS , CMS и ALICE на Большом адронном коллайдере . ^[3]^[4]^[5] Используя кремниевые пиксельные детекторы как часть своих внутренних систем слежения, эти эксперименты способны определить траекторию частиц, образующихся во время изучаемых ими высокоэнергетических столкновений. ^[6]

Ключевым нововведением в создании пиксельных детекторов такой большой площади стало разделение датчика и электроники на независимые слои. Учитывая, что для датчиков частиц требуется кремний с высоким удельным сопротивлением, а для считывающей электроники требуется низкое удельное сопротивление, внедрение гибридной конструкции позволило оптимизировать каждый элемент индивидуально, а затем соединить их вместе посредством процесса ударного соединения, включающего микроскопическую точечную пайку. ^[7]

Вскоре стало понятно, что ту же гибридную технологию можно использовать для обнаружения рентгеновских фотонов. К концу 1990-х годов первые детекторы гибридного счета фотонов (HPC), разработанные CERN и PSI, были испытаны с синхротронным излучением. ^[8] Дальнейшие разработки в ЦЕРН привели к созданию чипа Medipix и его вариаций.

Первый HPC-детектор большой площади был построен в 2003 году в PSI на базе считывающего чипа PILATUS. Второе поколение этого детектора с улучшенным считыванием.электроника и пиксели меньшего размера, стал первым детектором HPC, который регулярно работал на синхротроне. ^[9]

В 2006 году компания DECTRIS была основана как дочерняя компания PSI и успешно коммерциализировала технологию PILATUS. С тех пор детекторы на основе систем PILATUS и EIGER широко используются для малоуглового рассеяния , когерентного рассеяния , порошковой рентгеновской дифракции и спектроскопии . Основными причинами успеха детекторов HPC являются прямое обнаружение отдельных фотонов и точнаяопределение интенсивностей рассеяния и дифракции в широком динамическом диапазоне. ^[10]

См. также

Ссылки

^ Брённиманн, К.; Трюб, П. (2018). «Гибридные пиксельные детекторы рентгеновского излучения для синхротронного излучения». В Э. Йешке; С Хан; Дж. Р. Шнайдер; Дж. Б. Гастингс (ред.). Синхротронные источники света и лазеры на свободных электронах . Чам, Швейцария: Springer International. стр. 995–1027. дои : 10.1007/978-3-319-14394-1_36 . ISBN 978-3-319-14393-4 .
^ Дельпьер, П. (1994). «Пиксельные детекторы и кремниевые детекторы рентгеновского излучения» (PDF) . Журнал физики IV . 04 :11–18. дои : 10.1051/jp4:1994902 .
^ Вейгель, П; и др. (2011). «Характеристика и характеристики кремниевых пиксельных детекторов n-in-p для обновлений ATLAS». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 658 (1): 36–40. arXiv : 1012.3595 . Бибкод : 2011NIMPA.658...36W . дои : 10.1016/j.nima.2011.04.049 . S2CID 55001023 .
^ Аллкофер, Ю; и др. (2008). «Проектирование и характеристики кремниевых датчиков для бочкообразного пиксельного детектора CMS». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 584 (1): 25–41. arXiv : физика/0702092 . Бибкод : 2008NIMPA.584...25A . дои : 10.1016/j.nima.2007.08.151 . S2CID 119443580 .
^ Ридлер, П; и др. (2007). «Производство и внедрение кремниевого пиксельного детектора ALICE». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 572 (1): 128–131. Бибкод : 2007NIMPA.572..128R . дои : 10.1016/j.nima.2006.10.178 .
^ Росси, Л; и др. (2006). Пиксельные детекторы . Ускорение и обнаружение частиц. Берлин: Шпрингер. Бибкод : 2006pdff.book.....R . дои : 10.1007/3-540-28333-1 . ISBN 978-3-540-28332-4 . S2CID 119360208 .
^ Дельпьер, П. (2014). «История гибридных пиксельных детекторов, от физики высоких энергий до медицинской визуализации». Журнал приборостроения . 9 (5): C05059. Бибкод : 2014JInst...9C5059D . дои : 10.1088/1748-0221/9/05/C05059 . S2CID 122121227 .
^ Манолопулос, С; и др. (1999). «Рентгеновская дифракция на порошке с гибридными полупроводниковыми пиксельными детекторами» . Журнал синхротронного излучения . 6 (2): 112–115. дои : 10.1107/S0909049599001107 .
^ Брённиманн, К; и др. (2006). «Детектор ПИЛАТУС 1М» . Журнал синхротронного излучения . 13 (2): 120–130. дои : 10.1107/S0909049505038665 . ПМИД 16495612 .
^ Фёрстер, А; Брандштеттер, С; Шульце-Бризе, К (2019). «Преобразование обнаружения рентгеновского излучения с помощью гибридных детекторов подсчета фотонов» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 377 (2147): 20180241. Бибкод : 2019RSPTA.37780241F . дои : 10.1098/rsta.2018.0241 . ПМК 6501887 . ПМИД 31030653 .

[broennimann2018-1] Брённиманн, К.; Трюб, П. (2018). «Гибридные пиксельные детекторы рентгеновского излучения для синхротронного излучения». В Э. Йешке; С Хан; Дж. Р. Шнайдер; Дж. Б. Гастингс (ред.). Синхротронные источники света и лазеры на свободных электронах . Чам, Швейцария: Springer International. стр. 995–1027. дои : 10.1007/978-3-319-14394-1_36 . ISBN 978-3-319-14393-4 .

[2] Дельпьер, П. (1994). «Пиксельные детекторы и кремниевые детекторы рентгеновского излучения» (PDF) . Журнал физики IV . 04 :11–18. дои : 10.1051/jp4:1994902 .

[3] Вейгель, П; и др. (2011). «Характеристика и характеристики кремниевых пиксельных детекторов n-in-p для обновлений ATLAS». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 658 (1): 36–40. arXiv : 1012.3595 . Бибкод : 2011NIMPA.658...36W . дои : 10.1016/j.nima.2011.04.049 . S2CID 55001023 .

[4] Аллкофер, Ю; и др. (2008). «Проектирование и характеристики кремниевых датчиков для бочкообразного пиксельного детектора CMS». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 584 (1): 25–41. arXiv : физика/0702092 . Бибкод : 2008NIMPA.584...25A . дои : 10.1016/j.nima.2007.08.151 . S2CID 119443580 .

[5] Ридлер, П; и др. (2007). «Производство и внедрение кремниевого пиксельного детектора ALICE». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 572 (1): 128–131. Бибкод : 2007NIMPA.572..128R . дои : 10.1016/j.nima.2006.10.178 .

[6] Росси, Л; и др. (2006). Пиксельные детекторы . Ускорение и обнаружение частиц. Берлин: Шпрингер. Бибкод : 2006pdff.book.....R . дои : 10.1007/3-540-28333-1 . ISBN 978-3-540-28332-4 . S2CID 119360208 .

[7] Дельпьер, П. (2014). «История гибридных пиксельных детекторов, от физики высоких энергий до медицинской визуализации». Журнал приборостроения . 9 (5): C05059. Бибкод : 2014JInst...9C5059D . дои : 10.1088/1748-0221/9/05/C05059 . S2CID 122121227 .

[8] Манолопулос, С; и др. (1999). «Рентгеновская дифракция на порошке с гибридными полупроводниковыми пиксельными детекторами» . Журнал синхротронного излучения . 6 (2): 112–115. дои : 10.1107/S0909049599001107 .

[9] Брённиманн, К; и др. (2006). «Детектор ПИЛАТУС 1М» . Журнал синхротронного излучения . 13 (2): 120–130. дои : 10.1107/S0909049505038665 . ПМИД 16495612 .

[10] Фёрстер, А; Брандштеттер, С; Шульце-Бризе, К (2019). «Преобразование обнаружения рентгеновского излучения с помощью гибридных детекторов подсчета фотонов» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 377 (2147): 20180241. Бибкод : 2019RSPTA.37780241F . дои : 10.1098/rsta.2018.0241 . ПМК 6501887 . ПМИД 31030653 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]