Медипикс - Medipix
Медипикс представляет собой семейство пиксельных детекторов для подсчета фотонов и отслеживания частиц, разработанное в рамках международного сотрудничества, размещенное в ЦЕРН.
Дизайн
Это гибридные детекторы поскольку слой полупроводникового сенсора прикреплен к слою обрабатывающей электроники.
Сенсорный слой представляет собой полупроводник, например кремний, GaAs, или же CdTe в котором падающее излучение создает облако электронов / дырок. Затем заряд собирается на пиксельных электродах и через выпуклые связи, проводимые к CMOS слой 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. Устройства Medipix также содержат верхний уровень дискриминации, и, следовательно, могут приниматься только сигналы в пределах диапазона амплитуды (в пределах энергетического окна).
Устройства Timepix предлагают помимо счета еще два режима работы. Первый из них - 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 Время полета (TOF), например, в нейтронной визуализации.
Таким образом, каждое отдельное попадание излучения обрабатывается электроникой, интегрированной в каждый пиксель, поэтому устройство можно рассматривать как 65 536 индивидуальных счетных детекторов или даже спектрометров. Дискриминаторы энергии регулируются. Таким образом, сканирование с их уровнем позволяет измерить полный спектр входящего излучения и, таким образом, обеспечить 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 с большей площадью можно разместить в ящиках, прикрепив несколько чипов к более крупным монолитным датчикам. Обычно используются детекторы размером от 2х2 до 2х4 микросхем. Еще большие области без зазоров могут быть созданы с использованием технологии бескрайних датчиков. Здесь каждый чип Medipix / Timepix имеет свой собственный датчик, и эти сборки расположены рядом друг с другом, чтобы создать массив детекторов почти произвольного размера (самая большая сборка с использованием этой технологии имеет 10x10 чипов, следовательно, 14x14 см и 2560x2560 пикселей.[1]).
Стандартная однокристальная несущая плата Medipix с USB-разъемом.
Счетверенная плата: четыре микросхемы Medipix2 с одной общей микросхемой датчика для большей площади с ограниченным мертвым пространством.
Передняя часть Экскалибура. К каждому из трех датчиков прикреплено по 16 микросхем.
WidePix 10x10 с разрешением 2560x2560 пикселей (6,5 мегапикселей) и постоянно чувствительной областью.
Сравнение с существующими технологиями
Пиксельные детекторы с подсчетом фотонов представляют следующее поколение детекторов радиационной визуализации. Технология счета фотонов преодолевает ограничения современных устройств визуализации. 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. Нуждается в особом лечении (проявка, сканирование,…). | Ионизирующее излучение создает свет, а затем и электрический заряд, который собирается и интегрируется в пикселях (CCD, CMOS сенсоры, Плоские панели, …). | 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
Медипикс-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.
Медипикс-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).
Медипикс-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 концептуально устройство происходит от Medipix-2. В дополнение к подсчету обнаруженных сигналов он добавляет к пикселям еще два режима: превышение порогового значения (TOT) и время прибытия (TOA). Обнаруженная высота импульса записывается в счетчике пикселей в режиме ТОТ. В режиме TOA измеряется время между запуском и приходом излучения в каждый пиксель.
Медипикс-3 это последнее поколение устройств для счета фотонов для получения рентгеновских изображений. Шаг пикселей 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, то есть считывалась сразу вся матрица пикселей. Timepix-3 имеет считывание на основе событий, когда 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 - 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
Цифровые данные, записанные устройствами Medipix / Timepix, передаются на компьютер через считывающую электронику. Считывающая электроника также отвечает за настройку и контроль параметров детектора. Несколько систем считывания были разработаны в рамках сотрудничества Medipix.
Muros
Muros была одной из первых считывающих систем детекторов Medipix. Muros был разработан в Нихеф, Амстердам, Нидерланды. Это был относительно компактный считыватель, обеспечивающий доступ ко всем функциям детектора. Это позволяло максимальную частоту кадров около 30 кадров / с с одним чипом.
Интерфейс USB
Эта электроника была разработана в IEAP -CTU, Чехия. 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. Следовательно USB Интерфейс быстро стал наиболее часто используемым считывающим устройством в рамках сотрудничества Medipix и его партнеров.
Расслабленный
Relaxd - это считывающая электроника, разработанная в Нихеф. Данные передаются на ПК через соединение Ethernet 1 Гбит / с. Максимальная частота кадров составляет 100 кадров / с.
Fitpix
Fitpix - следующее поколение USB интерфейс разработан 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
Minipix - это миниатюрное устройство со встроенным чипом и считывающей электроникой, разработанное компанией ADVACAM s.r.o. в Праге. Вся система имеет размер флешка. Некоторые из этих устройств использовались на Международной космической станции в качестве систем радиационного контроля.[2]
Спидр
Spidr - это мощная считывающая электроника для микросхемы Timepix-3. Он находится в разработке на Нихеф.
Системы Экскалибур и Мерлин
Обе системы разработаны в Алмазный источник света, Великобритания, для считывания показаний Medipix3 и приложений на синхротронах. Merlin доступен с датчиками CdTe от Квантовые детекторы которые работают над дальнейшим развитием с Diamond Light Source.
LAMBDA система
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
MARS - это устройство считывания данных Gigabit Ethernet, вмещающее до 6 детекторов Medipix 2 или Medipix 3. Электроника была разработана в Университет Отаго, Крайстчерч, Новая Зеландия.
Приложения
Рентгеновское изображение
Рентгеновское изображение является основной областью применения детекторов Medipix. Medipix предлагает области рентгеновских изображений, в частности, преимущество в более высоком динамическом диапазоне и энергетической чувствительности.[3] Примеры рентгеновских изображений из выбранных областей применения рентгеновских изображений:
Биология: Тропический таракан.
Биология: Жужелица.
Неразрушающий контроль: Металлический композитный образец.
Неразрушающий контроль: Образец композитного бумажного сердечника.
Дозиметрия космического излучения
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.
Другой
Детекторы также могут найти применение в астрономия, физика высоких энергий, медицинская визуализация, и Рентгеновская спектроскопия.
История
- Медипикс-1: Начало 90-х.
- Медипикс-2: Конец 90-х.
- Медипикс-3: Сотрудничество образовалось в 2006 году.
- Медипикс-4: Сотрудничество сформировалось в 2016 году.
Рекомендации
- ^ Камера Timepix с большой площадью 6,5 МП
- ^ «Камеры ADVACAM». https://advacam.com/minipix. Внешняя ссылка в
| сайт =(помощь); Отсутствует или пусто| url =(помощь) - ^ X-ray.camera