МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 275-277
= ПРИБОРЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ =
УДК 539.1.074
МНОГОПИКСЕЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ Са/пТе
© 2015 г. В. Ф. Дворянкин, Г. Г. Дворянкина, Ю. М. Дикаев,
А. А. Кудряшов, А. Г. Петров, А. А. Телегин
Институт радиотехники и электроники им. Котельникова Российской АН E-mail vfd217@ire216.msk.su Поступила в редакцию 08.12.2014 г.
Описана конструкция линейного детектора рентгеновского излучения на основе монокристаллов Cd0 9Zn0 iTe. Приведены результаты использования.
DOI: 10.7868/S0544126915040031
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время рентгеновские системы, в которых изображение фиксируется на пленке или фотопластинке, давно ушли в прошлое. Причиной этого является как недостаточный динамический диапазон, так и дополнительные сложности при обработке фотоматериала. Несмотря на довольно хорошие результаты, полученные при использовании в качестве детекторов сцинтиллято-ров, они имеют свои недостатки, как, например, недостаточный срок службы. Кроме того, в медицинской рентгенографии как всегда остро стоит проблема снижения дозовой нагрузки на пациента, поэтому широкое распространение получили детекторы на основе полупроводниковых материалов. Весьма перспективным материалом для изготовления рентгеновских детекторов является Сё2пТе.
Мы исследовали этот материал с точки зрения изготовления детекторов [1].
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТЕКТОРА
Детекторы изготавливались из монокристаллов Сё0.^п0ЛТе, выращенных методом Обреимо-ва—Шубникова [2]. Протестированные по чувствительности к рентгеновскому излучению, образцы CdZnTe размером 16.5 х 2 х 2 мм3 приклеивались на пьедестал из стеклотекстолита проводящим клеем. Пиксели формировались скрайбированием на глубину 1.5—1.6 мм с шагом 1 мм.
После травления и пассивации пиксели разваривались алюминиевой проволокой диаметром 25 мк термо-ультразвуковой сваркой на контактные площадки пьедестала. Затем, два пьедестала по 16 пикселей в каждом, помещались на плату с поверхностным монтажом. Так формировался модуль с 32-я каналами.
3. КОНСТРУКЦИЯ ДЕТЕКТОРА
Электронная схема подключения к 32 канальной детекторной линейке представлена на рис. 1. Первый каскад усилителей А1 с малыми токами утечки в фемтоамперы непосредственно преобразует ток детекторов Д1...Д32 в напряжение, значение, которого на выходе А1 в отсутствие светового или рентгеновского излучения будет составлять:
У^ = УгеГ • Я1/(Яф + Я1), где — внутреннее сопротивление детекторов Di.
Данное напряжение, поданное на второй каскад усилителей А2, компенсируется подачей на неинвертируемый вход с резистора Я3 напряжением смещения. Если У^ < Уеш(Я2/Я4 + 1), то на выходе А2 можно получить нулевое значение напряжения путем подстройки резистора Я3. В противном случае при больших токах утечки детекторов (низкое Rdi) это значение может быть отличным от нуля.
Под действие облучения детекторы Di вырабатывают фототок Idi и при компенсированном "темновом" значении на выходе усилителей А2 появляется напряжение:
У^ = Я1Я4/Я2.
Все напряжения от 32 детекторов одновременно усиливаются, поочередно коммутируются аналоговыми коммутаторами и подаются на модуль аналого-цифрового преобразования. Далее следует компьютерный сбор и обработка полученной информации.
Двухступенчатая схема усиления состоит из малошумящих микросхем первого каскада. К ним предъявлялись требования с токами утечек менее 1 пико ампера. Исходя из компактности, выбраны счетверенные микросхемы в малогабаритном
275
3*
276
ДВОРЯНКИН и др.
С1.1 20 С2.1 0.1
—Уош
Рис. 1. Электронная схема подключения к 32-х канальной линейке.
корпусе для поверхностного монтажа типа 8ок: LMC6044AIM. В отличие от схемы, приведенной в работе [3] с последовательной обратной связью. Ко второму каскаду усиления требования не такие жесткие по токам утечки, но имеющие высокие значения выходного тока (20 мА для LM324D). Коммутаторы, не указанные на схеме, должны иметь низкое проходное сопротивление не более 50 Ом и высокое быстродействие со временем переходных процессов не более 300 наносекунд (ADG608BR).
Разработка печатной платы с поверхностным монтажом элементов в случае многоканальных усилительных устройств с малыми токами утечек предъявляет требования к материалу, из которого сделана сама печатная плата. В данном случае используется в производстве импортный стеклотекстолит типа FR-4. Поверхностные токи утечек измерены с помощью электрометра и составляют менее 10-12 А.
Для устранения самовозбуждения многоканальных усилительных устройств, в случае поверхностных утечек тока, сопротивления в обратной связи операционных усилителей первого каскада усиления выбраны номиналом R1 = 10 Мом (рис. 1). Чип резисторы типоразмера 0603 такого номинала изготавливаются и имеются на свободном рынке. Если шкала измерения фототока детекторов составляет 1000 (динамический диапа-
зон), то для полезной составляющей выходного напряжения первого каскада усиления в Уи; = = ^2^4) х 10-3 В, фототок детектора составит:
= Уи^1 = 4 пикоА.
Данная величина соответствует порогу чувствительности первого каскада усиления А1. Второй каскад А2 усиления применяется для "раскачки" выходного напряжения первого каскада усиления А1.
Емкость С1 = 20 пикоФ (рис. 1) служит в качестве фильтра низкой частоты для устранения шумов, возникающих из-за высокой емкости детектора (100 и более пикоФ). Полоса пропускания фильтра низкой частоты для устранения бесполезных помех составляет:
f = 1/^1С1) = 5 кГц,
или время затухания переходных процессов в каскаде усиления:
т = R1C1 = 0.2 мс.
Для динамического диапазона в 1000 единиц время затухания для последующего повторного измерения фототока составит 6т = 1.2 мс.
Для справки: за время т сигнал на выходе фильтра изменится в 1/е раз при одномоментном изменении входного сигнала.
МНОГОПИКСЕЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
277
32-канальный детектор в совокупности с 8-ми счетверенными малошумящими операционными усилителями LMC6044 представляет собой модуль детекторов. Многоэлементный линейный детектор на 512 канала составляется из 16 модулей детекторов. Каждый модуль в составе линейки ориентирован строго перпендикулярно к направлению луча от источника рентгеновского излучения так, чтобы лучи проходили вдоль детекторного узла параллельно пластинам анода и катода. При периоде детекторов с шагом 1 мм конструкция несущей направляющей, выполненная по оригинальной схеме, обеспечивает стыковку модулей детекторов с зазорами между ними по лучу не более 0.2 мм с размерами модулей вдоль детекторов 32.2 мм. Данный зазор выбран из требования по предохранению детекторов от их механического повреждения, а также для регистрации рентгеновского излучения с не менее 99.3% эффективностью покрытия пространственного поля наблюдения. Модули все идентичны, взаимозаменяемые, предварительно оттестированы и отобраны с 100% работой всех элементов ее электронной элементной базы.
Соединение модулей в гирлянды устройств осуществляются с помощью плоского шлейфа-кабеля. Аналоговые сигналы на детекторах адекватно соответствуют распределению рентгеновского поля в пространстве, которые с выходов усилителей последовательно коммутируются и передаются на контроллер с аналого-цифровым преобразователем производства ЗАО 'Х-СаМ" Е-440. Контроллер собирает и накапливает цифровые данные с каждого модуля для последующей передачи в компьютер. По команде с персонального компьютера осуществляется последовательное считывание цифровых данных с каждого детекторного канала.
Пример использования линейного детектора в сканирующей системе приведен на рис. 2.
\
р
Рис. 2. Рентгеновский снимок обломков кости, скрепленных шурупом.
В заключение авторы выражают благодарность коллективу Института кристаллографии Российской АН и лично Ю.М. Иванову за предоставленные монокристаллы Cd0.9Zn01Te.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Голъшев В.Д., Быкова С.В. Исследование чувствительности детекторов на основе Cd0.9Zn01Te к рентгеновскому излучению. ЖТФ. 2010. Т. 81. Вып. 5. С. 153-155.
2. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Иванов Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Телегин А.А. Зависимость качества рентгеновских детекторов Cd0.9Zn01Te от чистоты исходных компонентов // ЖТФ. 2011. Т. 80. Вып. 7. С. 156-158.
3. Дворянкин В.Ф., Дикаев Ю.М, Кудряшов А.А., Петров А.Г. Понижение уровней пульсаций интенсивности в приемниках рентгеновского излучения // ПТЭ. 2002. № 2. С. 150-161.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.