Современные детекторы рентгеновского излучения

Введение

Вильгельм Рентген открыл рентгеновское излучение 8 ноября 1895 года, когда проводил эксперименты с катодными лучами в вакуумной трубке. Работал он в темной комнате и трубка была накрыта черной непрозрачной бумагой. Однако на стоявшем рядом экране, покрытом флуоресцирующим тетрацианоплатинатом бария, появилось светящееся пятно. Вильгельм поднес руку к вакуумной трубке в луч невидимого света, и на экран упала “тень” его руки, но были видны кости и слабые силуэты мягких тканей.

Чтобы записать и сохранить изображения этих теней, Рентген воспользовался простыми фотопластинами. К его счастью, чувствительные к видимому свету фотоэмульсии на основе соединений серебра оказались также чувствительны и к рентгеновскому излучению. Эти фотопластины стали первыми детекторами рентгеновского излучения, а Рентген сделал первые в мире рентгенограммы с их помощью более 100 лет назад.

Тем не менее, за более чем 100 лет научно-технического прогресса для записи рентгеновских изображений было изобретено множество различных типов детекторов. Благодаря развитию микроэлектроники и технологий работы с полупроводниками современные рентгеновские детекторы преобразуют энергию рентгеновского излучения напрямую в электрический сигнал. С помощью таких детекторов можно получать цифровые снимки в рентгеновском диапазоне с высоким разрешением, контрастом и детализацией. 

С цифровыми изображениями легко проводить различные манипуляции. Например объединить несколько макроснимков в изображение всего объекта и представить монохромные изображения не в оттенках серого, а в виде тепловой карты, как на этом снимке цветка, сделанном Simon Procz-ем в 2012 году.

Simon Procz сделал рентгеновскую фотография цветка с помощью современных детекторов семейства Medipix, которые относятся к типу гибридных пиксельных. Технология гибридных пиксельных детекторов была разработана в ЦЕРН для использования в основных детекторах Большого Адронного Коллайдера. По программе Knowledge Transfer ЦЕРН передает технологии, созданные для целей фундаментальной науки, в область практического и коммерческого применения.

Гибридные пиксельные детекторы

Свое название “гибридные” такие детекторы получили благодаря тому, что они состоят из двух основных частей: полупроводникового сенсора и считывающей микросхемы (readout ASIC). Две части детектора являются отдельными компонентами, а значит их можно разрабатывать и оптимизировать отдельно друг от друга. 

В гибридных пиксельных детекторах материалом сенсора могут выступать различные полупроводники, в зависимости от требуемых спектральных характеристик поглощения. В качестве кремниевых сенсоров применяются пластины монокристаллического кремния, сделанные по той же технологии, что применяется в полупроводниковой промышленности.

Развитие интегральных микросхем и технологии VLSI (сверхбольшие интегральные схемы СБИС) в 1970-х позволило уменьшить размеры считывающей электроники. Соединение детектора и считывающей микросхемы осуществляется с помощью припойных шариков по технологии флип-чип - технология разработанная для корпусирования интегральных микросхем в IBM в 1960-е.

Детекторы “пиксельные”, потому что сенсор детектора разбит на квадратные ячейки-пиксели, и каждому пикселю соответствует одна ячейка со схемой измерения сигнала в считывающей микросхеме.

Гибридные пиксельные детекторы преобразуют энергию фотона в свободные заряды в полупроводнике, которые можно напрямую преобразовать в полезный электрический сигнал. Поэтому зачастую такие типы сенсоров называют детекторы счетчики фотонов (Photon Counting Detectors).

В более старых типах детекторов - сцинтилляционных - преобразования происходит в два этапа. В них используются сцинтиллирующие кристаллы, которые преобразуют попавший в них рентгеновский фотон в фотоны видимого спектра. Эти фотоны видимого спектра затем регистрируются обычной ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS) фотоматрицей, которая тоже разбита на пиксели. Гибридные пиксельные детекторы близки к таким сцинтилляционным детекторам, но обладают лучшей разрешающей способностью по энергии и по пространству, благодаря прямому, а не двухэтапному преобразованию энергии.

Проект Medipix

Проект Medipix зародился в ЦЕРН, как часть программы Knowledge Transfer - передача созданных для фундаментальной науки технологий в коммерческую область.

Первое поколение детекторов - Medipix1 - было представлено в 1997 году. Размер пикселя составлял 170 на 170 мкм и матрица была 64 на 64 пикселя. Считывающая микросхемы Medipix1 производилась по технологии самовыравнивающегося КМОП (SACMOS) с техпроцессом 1000 нм.  Порог чувствительности составлял 2000 зарядов электрона. Сигнал с пикселя оцифровывался компаратором c 3-битной настройкой порога, счетчик событий 15-битный. Передача данных с детектора осуществляется по 16-битной шине по специально разработанному протоколу Muros1 (Medipix1 re-Usable Read-Out System). Тактовая частота передачи данных составляла 10 МГц, благодаря чему весь кадр считывался за 384 мкс

Вслед за первым поколением в 1999 году стартовал проект детекторов второго поколения - Medipix2. Матрица детектора стала 256 на 256 пикселей с размером пикселя 55 на 55 мкм. Считывающие микросхемы производились по техпроцесс КМОП 250 нм. Новинкой было использование двух компараторов для оцифровки сигнала, что позволяло выставлять окно по энергии, в котором регистрировались фотоны.

У детекторов семейства Medipix2 появились варианты. Детекторы Timepix, появившиеся в 2005, измеряют не количество попаданий в пиксель, а время, которое сигнал находится выше порога (от момента попадания частицы в пиксель до закрытия затвора). Это время (Time-over-Threshold - ToT) соответствует энергии частицы. Для задач дозиметрии на основе проекта были сделаны детекторы Dosepix. А в эксперименте LHCb используется детектор VELOpix на основе микросхем Timepix.

Проект третьего поколения детекторов - Medipix3 - стартовал в 2005 году. Размер матрицы и пикселя настраиваемый, может быть либо 128 на 128 с размером пикселя 110 на 110 мкм или 256 на 256 пикселей с размером пикселя 55 на 55 мкм. Техпроцесс считывающих микросхем 130 нм КМОП. Особенностью третьего поколения детекторов является борьба с шумом из-за наведения заряда в соседних пикселях.

В 2016 году стартовал проект Medipix4. Целью проекта является разработка детекторов, которые можно было бы совмещать с другими детекторами со всех 4-х сторон, благодаря использованию технологии Through Silicon Via.  Детекторы предыдущих поколений из-за использования проводов для присоединения чипа к основной плате, могут быть состыкованы только с 3-х сторон.

Принцип работы

Основой работы полупроводниковых детекторов является то, что при поглощении энергии рентгеновского фотона (или другой частицы) в материале полупроводникового сенсора, происходит образование свободных пар электронов и дырок. Из-за приложенного к сенсору напряжения и образовавшихся носителей заряда в детекторе начинает течь ток, который измеряется считывающей микросхемой. Количество образовавшихся зарядов пропорционально энергии фотона, а значит величина тока отражает энергию фотона.

Полупроводниковый сенсор

Сенсор осуществляет первичное преобразование энергии фотона в электрический сигнал. Главной частью сенсора выступает пластина из полупроводника n-типа. На эту пластину с одной из сторон наносятся слой изоляции и металлические площадки для соединения пластины к считывающей микросхеме методом припойных шариков. Площадки расположены по сетке, условно разбивая пластину на матрицу чувствительных ячеек - пикселей сенсора. У каждой металлической площадки в пластину внедряется тонкий слой полупроводника p-типа, т.е. каждый пиксель сенсора представляет собой диод. С другой стороны на пластину наносится тонкий слой слой алюминия, который нужен для приложения напряжения к диоду.

Приложенное обратное напряжение увеличивает обеденную зону p-n перехода почти на весь объем сенсора. В обедненной зоне пониженная концентрация свободных носителей заряда - электронов и дырок, т.к. они рекомбинированы друг с другом.

Взаимодействие рентгеновского излучения с материалом сенсора

Рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от около 10² до 10^-3 нм, что соответствует энергии фотона от 10 эВ до 1 МэВ. В медицинских и промышленных рентгеновских диагностических приборах в качестве источников рентгеновского излучения используются рентгеновские трубки с диапазоном излучения от 10 до 200 кэВ, относительно мягкое излучение.

Для детектирования рентгеновского фотона он должен передать материалу сенсора свою энергию, целиком или частично. Для мягкого излучения основными механизмами передачи энергии фотона атомам сенсора являются фотоэффект и Комптоновское рассеяние. При энергиях фотона выше 1,022 МэВ возникает механизм передачи энергии через образование электрон-позитронных пар.

При фотоэффекте фотон полностью передает свою энергию на ионизацию атома и образование свободных пар электронов и дырок, что полезно для измерения энергии. С фотоэффектом связаны вторичные эффекты - флуоресценция вторичных фотонов и эффект Оже с высвобождением нового электрона.

При Комптоновском рассеянии фотон передает только часть своей энергии на ионизацию, после чего меняет направление своего движения.

Также есть механизм взаимодействия не приводящий к потере энергии фотоном, а лишь к изменению направления его движения - Рэлеевское рассеяние.

Вторичные фотоны и рассеявшиеся фотоны также могут взаимодействовать с материалом сенсора. При этом образуется каскад взаимодействий, создающий новые фотоны и свободные заряды, пока энергия изначального фотона не будет потрачена. При этом пространственная информация “размыливается”, а часть энергии может потеряться, если фотоны покинут сенсор или попадут в соседний пиксель.

В полупроводниках для образования пары свободных электрона и дырки поглощенная энергия должна быть примерно в 3 раза выше, чем ширина запрещенной зоны.

Для кремния ширина запрещенной зоны составляет 1,12 эВ. Количество образовавшихся зарядов прямо пропорционально энергии переданной сенсору фотоном. Рентгеновские фотоны с энергией порядка 30 кэВ будут при полном поглощении создавать в сенсоре из кремния свободные заряды в количестве порядка 10000.

Выбор лучшего материала для сенсора - это типичная инженерная задача компромиссов. Для спектроскопических детекторов желательно использовать полупроводники с преобладающим механизмом поглощения энергии через фотоэффект, что достигается использованием полупроводников с большим порядковым номером атомов. Но из-за флуоресценции вторичных фотонов размывается информация о положении и траектории рентгеновского луча. Если использовать полупроводник с низкой шириной запрещенной зоны, например германий с запрещенной зоной 0,5 эВ, то детектор будет более чувствителен, т.к. на единицу энергии будет создаваться больше свободных зарядов. Но также будут выше и тепловые шумы, и такой детектор необходимо будет охлаждать.

Преимущество гибридной архитектуры детектора - возможность использовать одну и ту же считывающую микросхему с различными сенсорами в различных задачах. Сенсор может может иметь сложную структуру, как например в этом патенте на полупроводниковый сенсор для применения с существующими микросхемами Medipix, полученный исследователями из ОИЯИ Дубны, участника коллаборации Medipix4. Особенностью этой разработки является разделение столбиков пикселей в сенсоре слоем диэлектрика для уменьшения эффекта разделения заряда между пикселями.

Формирование сигнала

Под действием приложенного напряжения образовавшиеся свободные электроны дрейфуют к верхнему алюминиевому слою, к которому приложено положительное напряжение, а дырки - к считывающей микросхеме, в сторону нулевого потенциала. Через сенсор течет электрический ток, который измеряется считывающей микросхемой.

Для математического описания сигнала тока, который наводится на электродах сенсора из-за движения образовавшихся в толще сенсора свободных зарядов, используется теорема Шокли-Рамо. На сигнал влияют геометрия сенсора и распределение в нем связанных зарядов и скорость движения свободных зарядов. Общий наведенный на электроде сенсора заряд будет прямо пропорционален количеству созданных в материале сенсора свободных зарядов от взаимодействия с фотоном.

Считывающая микросхема

Считывающая микросхема пиксельных детекторов содержит немалое количество параллельных цепей аналоговых усилителей и цифровых элементов под каждый пиксель сенсора, для обработки и регистрации сигнала.

Обобщенная структурная схема входного каскада и цифровых блоков считывающей микросхемы гибридного пиксельного детектора представлена на рисунках ниже.

Для измерения тока используется входной предусилитель. Сигналы от фотонов скоротечны, сигнал тока от детектора можно моделировать дельта-функцией. Предусилитель интегрирует входной сигнал тока, благодаря конденсатору в цепи обратной связи. Напряжение на выходе предусилителя пропорционально интегралу тока, т.е. сумма электрических зарядов, образовавшемуся в сенсоре из-за рентгеновского фотона. По форме сигнал на выходе предусилителя это ступенчатая функция.

Благодаря тому, что вход операционного усилителя это затвор полевого МОП транзистора, ток во входах усилителя практически равен нулю, а значит и нет ошибок при измерении тока детектора.

Чтобы с сигналом на выходе предусилителя можно было практически дальше работать, его пропускают через формирователь сигнала, который ограничивает сигнал по времени и оптимизирует его соотношение сигнал-шум. Формирователь сигнала - это каскад из дифференцирующих и интегрирующих элементов, т.е. фильтров верхних частот и фильтров нижних частот. Простейший вариант это пара CR и RC цепочек с операционными усилителями. В итоге получается полосно-пропускающий фильтр, известный как полугауссовский усилитель - формирователь сигнала.

После аналоговой обработки сигнала он оцифровывается. Для оцифровки могут применяться полноценные аналого-цифровые преобразователи, которые сохраняют информацию о форме сигнала. В детекторах семейства Medipix1 оцифровка происходит проще - с помощью защелкивающегося компаратора с регулируемым порогом. Величина порога задается с помощью 3-х битного цифро-аналогового преобразователя. Такой схемы достаточно для фиксации события и оценки энергии фотона.

15-ти битный счетчик увеличивает свое значение каждый раз, когда амплитуда сигнала превышает установленный порог. При закрытии цифрового затвора схема переходит в режим считывания и значения счетчиков со всех пикселей последовательно считывается и передается по внешнему интерфейсу.

Применение

Одной из основных областей применением гибридных пиксельных детекторов является исследование внутреннего строения объектов, в медицине и в промышленности. Это перекликается с первым применением рентгеновских лучей Рентгеном для радиографии кистей рук и бытовых предметов. 

Сегодня самый современный метод исследования на рентгеновском излучении - спектральная компьютерная томография: как медицинская, так и микро-КТ системы для анализа состава и структуры различных объектов. Возможность измерения энергии фотонов рентгеновского излучения добавляет этим системам способность измерять спектр поглощения исследуемого объекта и определять его атомарный состав.

В медицинских КТ определение состава позволяет лучше различать ткани и введенные контрастные вещества, а благодаря высокой чувствительности детекторов можно снизить получаемую пациентом дозу без потери качества изображения.

Кроме семейства микросхем Medipix от ЦЕРН, другие производители детекторов оптического и рентгеновского излучения представляют и свои считывающие микросхемы для гибридных пиксельных детекторов. Например крупные производители медицинских приборов разрабатывают свои технологии для своих будущих спектральных компьютерных томографов, в которых нужны возможности гибридных пиксельных детекторов по регистрации энергии отдельных рентгеновских фотонов. Philips специально разработал микросхемы ChromeAIX и участвует в европейском проекте разработки спектральной КТ SPCCT. Siemens - считывающие микросхемы совместно с компаниями CEA и MC1 и их компьютерный томограф с детекторами-счетчиками фотонов уже получил одобрение FDA. General Electric приобрел стартап Prismatic Sensors и их компетенции в области детекторов рентгеновского излучения.

Кроме компьютерной томографии детекторы Medipix активно применяются в дозиметрах. На МКС используются дозиметры в форм-факторе USB флешки c детектором Timepix. Их можно увидеть на некоторых фотографиях NASA с МКС. 

Внутри космического корабля Orion установлен дозиметр Battery-operated Independent Radiation Detector (BIRD), который основан на детекторах Timepix.

Дозиметр LETS (Linear Energy Transfer Spectrometer - спектрометр линейной передачи энергии) предназначен для измерения радиационного фона на поверхности Луны. Линейная передача энергии характеризует энергию ионизирующего излучения, которое оно передает веществу за единицу длины пути через это вещество. Измерительным элементом выступает детектор Timepix (поколение Medipix2). Дозиметр был установлен на аппарате Peregrine и был запущен к Луне 08.01.2024, но до Луны не долетел и сгорел в атмосфере Земли вместе с аппаратом 18.01.2024.

Заключение

Эта статья - это очень поверхностное знакомство с технологией детекторов рентгеновского излучения. При работе над ней использовалось множество источников, научных работ, учебников. Приятно было узнать, что лекции и семинары ЦЕРН, открыты и доступны всем https://cds.cern.ch/. В списке ниже представлены основные и по моему мнению самые интересные и полезные работы по истории, физике, электронике и применению детекторов ионизирующего излучения.

1. W. C. Röntgen, “On a New Kind of Rays,” Nature, vol. 53, no. 1369, pp. 274–276, 1896.

2. E. H. M. Heijne, “History and future of radiation imaging with single quantum processing pixel detectors,” Radiation Measurements, vol. 140, p. 106436, 2021.

3. D. S. McGregor and J. K. Shultis, Radiation detection: concepts, methods, and devices, 1st ed. Boca Raton: Taylor and Francis, 2020.

4. R. Ballabriga, “The Design and Implementation in 0.13 um CMOS of an Algorithm Permitting Spectroscopic Imaging with High Spatial Resolution for Hybrid Pixel Detectors,” Universitat Ramon Llull, 2009.

5. R. Ballabriga, M. Campbell, and X. Llopart, “Asic developments for radiation imaging applications: The medipix and timepix family,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 878, pp. 10–23, 2018.

6. R. Ballabriga et al., “Review of hybrid pixel detector readout ASICs for spectroscopic X-ray imaging,” J. Inst., vol. 11, no. 01, pp. P01007–P01007, Jan. 2016.

7. H. Hayashi, N. Kimoto, T. Asahara, T. Asakawa, C. Lee, and A. Katsumata, Photon Counting Detectors for X-Ray Imaging Physics and Applications. Cham: Springer International Publishing AG, 2021.