МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 459-463
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 520.624:523.42
GaAs - МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ДЕТЕКТОР ДИСКРЕТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. В. Ф. Дворянкин1, Ю. М. Дикаев1, A. И. Крикунов1, A. A. Кудряшов1, A.A. Телегин1, Е. Ä. Бабичев2, С. Е. Бару2, В. В. Поросев2, Г. Ä. Савинов2
1Институт радиотехники и электроники Российской АН, Фрязинское отделение 2Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО Российской АН E-mail: vfd217@ire216.msk.su Поступила в редакцию 08.09.2003 г.
Представлены результаты исследования многоэлементного пиксельного детектора на основе GaAs, и его характеристики. Многоэлементный детектор, представляющий собой ряд из 64 пикселей (каналов детектора) с шагом 0.4 мм, предназначен для дискретной регистрации рентгеновского излучения. При облучении детектора рентгеновским излучением получена хорошая линейность сигнала при изменении анодного тока на рентгеновском источнике. Представленные сигналы фотоотклика детектора в зависимости от пространственного положения пучка свидетельствуют об отсутствии взаимного влияния фотооткликов соседних каналов детектора.
Рентгеновские детекторы на основе эпитакси-альных структур ваЛв работают без напряжения смещения в фотовольтаическом режиме и при комнатной температуре [1], что очень важно для устранения шумов, возникающих из-за токов утечки. Многоэлементный детектор, представляющий собой ряд пикселей, предназначен для дискретной регистрации рентгеновского излучения и получения рентгеновских изображений в комплекте со считывающей электроникой [2]. Различие пикселей по фотоотклику и перекрестная взаимная помеха влияют на качество получения цифрового рентгеновского изображения, снижают общий динамический диапазон многоэлементного детектора. Тестирование многоэлементных детекторов позволит отбраковать и отсортировать их по идентичности фотоотклика. В данной работе представлены результаты исследования многоэлементных пиксельных детекторов на основе ваЛв, и их характеристики. Изготовление и предварительное тестирование детектора осуществлялось в Институте радиотехники и электроники РАН. Для тестирования использовалось многоигольчатое устройство Зонд-А5. Соедине-
ние детектора с мультиплексором и тестирование под рентгеновским излучением проводились в Институте ядерной физики СО РАН.
Многоэлементный детектор представляет собой полоску из ваЛв длиной 25.6 мм и шириной 0.4 мм. С верхней стороны активной поверхности р-я-структуры детекторы разделены канавками с периодом 0.4 мм и глубиной 0.1-0.12 мм. Ширина канавок составляет 10% от линейного размера одного пикселя детектора. Арсенид-галлиевая полоска крепится к пьедесталу из поликора с нанесенными металлическими ламелями шириной 0.2 мм и периодом 0.4 мм. Количество пикселей и ламелей составляет 64. Каждый пиксель детектора алюминиевой проволокой диаметром 20-50 мкм ультразвуковой сваркой соединяется с ламелями. Покрытый герметическим составом многоэлементный детектор имеет вид, представленный на рис. 1.
Тестирование детекторов до подсоединения к мультиплексорам осуществлялось на базе многоигольчатого устройства Зонд-А5, имеющего 64 иголки-контакта. К каждой иголке подключена электрическая схема с полевыми транзисторами
Рис. 1. Схема детекторов из ОаЛв - 1 на пьедестале из поликора - 2, соединенный с ламелями - 3. Общий катод - 4, аноды - 5.
ДВОРЯНКИН и др. +У
Я3*
М2
С
М3
УТ
Рис. 2. Электронная схема усиления и коммутации аналоговых сигналов с детекторов Б. УТ - КП303Г; М2, М3 - аналоговые 8-канальные коммутаторы КР590КН6.
на входе (рис. 2). Подстройкой резистора Я2 подбирается усиление сигнала каждого канала так, чтобы разброс по всем каналам был в пределах 5%. Ряд коммутаторов осуществляют последовательный опрос 64 каналов с частотой, задаваемой генератором. Выходной сигнал поступает на осциллограф или самописец для одновременного наблюдения фотоотклика детекторов под действием рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение пульсирует с частотой 50 Гц, так как высоковольтные выпрямительные кенотроны работают по однополупериодной схеме. Интенсивность излучения при этом пульсирует практически от нулевого уровня к максимуму, задаваемого напряжением и анодным током. Благодаря этому, снимаемый с детекторов переменный сигнал проходит через коммутаторы, а постоянная составляющая задерживается на емкости. Этим устраняется необходимость учета темнового тока в системе детектор-усилитель. При частоте генератора 50 Гц время развертки от 64 сигналов составляет 1.28 с. Учитывая, что неоднородность пульсации рентгеновского излучения составляют 10%, с такой точностью можно определять разброс значений фотоотклика детекторов и отсутствие таковых.
Таким образом, отсортировывая детекторы по уровням значения фотооткликов, которые могут находиться в пределах 15-30 мкА мин/Гр • см2, при детектировании энергии рентгеновского излучения в диапазоне 30-40 кэВ, можно набирать ли-
нейку детекторов, например из 1024 пикселей, с заданным значением и дисперсией фотоотклика.
Тестирование детектора проводилось на рентгеновском аппарате с частотой преобразования 10 кГц, размер фокуса рентгеновской трубки 0.6 х 0.6 мм2, фильтрация 0.1 мм меди, расстояние от фокуса до детектора 1350 мм. В качестве заряда чувствительного усилителя использован интегратор-мультиплексор на 256 канала фирмы Рег-кт-Е1шег, схема подключения показана на рис. 3. Время накопления заряда составляло 5 мс. Во всех измерениях рентгеновское излучение падало перпендикулярно поверхности детектора со стороны сварки.
Среднеквадратичное отклонение шумового сигнала с электроники регистрации при подключенном детекторе составляло 1.1 отсчета аналогового цифрового преобразователя, что сравнимо с сигналом при регистрации одного гамма кванта.
Одной из основных характеристик детектора является линейность связи между величиной входного потока и величиной измеряемого сигнала. При измерении линейности использовались три режима рентгеновского аппарата - 80, 100 и 120 кВ. Для изменения входного потока изменялся ток рентгеновской трубки при фиксированном напряжении. Фотоотклик детектора в сигналах аналогового цифрового преобразователя при облучении его тормозным излучением от рентгеновской трубки при разных анодных напряжени-
ваЛе - МНОГОЭЛЕМЕНТНЫИ ДЕТЕКТОР
461
М
налах. Зависимость сигнала в соседних каналах детектора от положения пучка представлена на рис. 5. Хорошая форма сигналов с "мертвой" зоной в 50 мкм позволяет судить об отсутствии взаимного влияния соседних каналов.
Оценка быстродействия детектора проводилась путем наезда системы рентгеновская трубка-детектор на непрозрачный для рентгеновского излучения край. При скорости движения 3.5 см/с, и высоте детектора 0.4 мм весь переходной процесс должен занять две строки, что хорошо наблюдается на рис. 6. Отсутствуют переходные процессы, связанные с рассасыванием пространственного заряда.
Для оценки эффективности регистрации детектора использовалось понятие БОЕ (квантовый выход детектора) [3]:
Рис. 3. Схема подключения каналов детектора (Б) к интегратору-мультиплексору (М).
БОБ =
SNRl
ЬI1 2 ^,
ях представлен на рис. 4. Наблюдается хорошая линейность фотоотклика при изменении анодного тока на трубке.
Измерение формы канала и взаимного влияния каналов проводилось путем сканирования детектора по горизонтали узкой щелью (50 мкм). Щель была изготовлена из пластин тантала толщиной 1 мм. Режим работы рентгеновского аппарата при этом измерении - 80 кВ, 12 мА. При измерении фиксировался сигнал в трех соседних ка-
которое пропорционально отношению квадрата сигнал шум на выходе детектора к отношению сигнал шум на входе и отношению квадрата интеграла от формы канала к шагу каналов. Поскольку квадрат отношения сигнал шум пропорционален эффективности регистрации детектора, измеряя величину БОЕ можно оценить его эффективность регистрации.
Отношение сигнал шум на выходе детектора измерялось по изображению, одновременно из-
12000
462
ДВОРЯНКИН и др.
120
100
&8° <
£ 60
о
ЕГ
0 40
20 0 -20
100 200 300 400 500 600 700 800 900
мкм
Рис. 5. Сигналы с трех соседних каналов при сканировании их диафрагмированным щелью 50 мкм рентгеновским пучком.
1000
900
800
^700 <
§ 600
«
Б
н 500
О
400
300
200
150 160 170 180 190 200
Номер шага сканирования
Рис. 6. Сигнал с канала детектора при наезде на непрозрачный край.
мерялась мощность дозы на поверхности детектора, которая пересчитывалась в количество гамма квантов, падающих на поверхность детектора. При напряжении на рентгеновской трубке 80 кВ эффективность регистрации составляет = 12%, что соответствует активному слою =70 мкм. При напряжении на рентгенов-
ской трубке 120 кВ эффективность регистрации составляет =10%.
Эффективность регистрации можно повысить, если канал детектора будет иметь длину 5-10 мм, а детектор расположить под углом к рентгеновскому излучению. При этом, при одной и той же апертуре фотоотклик будет пропорцио-
0
GaAs - МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ДЕТЕКТОР
463
нален значению 1/соз б, где б - угол падения рентгеновских квантов. При ширине канала 0.4 мм разрешение такого многоэлементного детектора при получении цифрового рентгеновского изображения составит 1.4 пл/мм.
Линейка детекторов со считывающей электроникой в составе со сканирующим устройством и источником рентгеновского излучения предназначена для получения рентгеновских цифровых изображений. И может применяться в рентгеновской медицинской диагностике, дефектоскопии, а также системах рентгеновского досмотра людей и багажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахмадуллин Р.А., Дворянкин В.Ф., Дворянки-на ГГ. и др. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. № 1. С. 34.
2. Дворянкин В.Ф., Дикаев Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г. // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 4. С. 166.
3. A dual line multicell ionization chamber for transvenous coronary angiography with synchrotron radiation. R.H. Menk et al. Rev. Sci. Instrum. 66(2), February 1995.
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.