Pixelové polovodičové detektory Medipix/Timepix

Hybridní polohově citlivý polovodičový detektor Medipix2 je unikátní detekční systémem ionizujícího záření (IZ) vyvinutý mezinárodní kolaborací výzkumných týmů, jež zastřešuje Evropské centrum jaderného výzkumu CERN. Tento detektor je sestaven ze dvou částí (viz Obr. 1).

Obr.1: Schéma struktury detektoru Medipix2 sestávajícího z polovodičového senzoru a vyčítacího čipu. Polovodičový senzor (aktivní objem detektoru) je svou spodní rozpixelovanou stranou galvanicky propojen pomocí malých vodivých kuliček ke spodnímu vyčítacímu čipu, kde má každý pixel svoji nezávislou elektroniku provádějící zpracování detekovaného signálu.

První z nich je křemíkový senzor (k dispozici jsou v současnosti i jiné materiály jako např. CdTe, GaAs) o tloušťce v řádu 100 μm, který je ze spodní strany rozdělen na matici 256 x 256 čtvercových buněk o hraně 55 μm. Celková citlivá plocha detektoru má tedy rozměr 14 mm × 14 mm (viz Obr. 2). Senzor je vlastně povrchový p-n přechod (dioda), na který je přivedeno inverzní předpětí. Přiložením tohoto předpětí se v monokrystalu křemíku vytvoří oblast bez prostorového náboje. Tato část polovodiče představuje citlivou oblast detektoru, ve které se po dopadu kvanta ionizujícího záření generuje náboj.

Obr. 2: Přenosný systém pixelového detektoru a USB rozhraním. Po připojení detektoru k počítači je možné jej používat jako on-line digitální kameru ionizujícího záření.

Detektor tedy funguje na principu ionizace v pevné fázi. Vletí-li do citlivé oblasti nabitá částice, její energie se konvertuje na vytvoření řady elektron-děrových párů (střední energie potřebná pro vytvoření jednoho takového páru v křemíku je rovna 3,62 eV). Díky přiloženému předpětí je pak celkový vygenerovaný náboj sebrán na rozpixelovanou elektrodu a příslušným vodivým spojem odveden do elektroniky příslušného pixelu. Zde na pracovním odporu vznikne napěťový impuls, jehož amplituda je úměrná počtu vytvořených elektron – děrových párů, a tedy i energii dopadlé částice. Elektronika detektoru dokáže jednak počítat počet těchto pulsů (verze Medipix2), což odpovídá počtu dopadlých částic, ale i vyhodnocovat amplitudu každého impulsu odpovídající energii detekované částice (verze Timepix).

Druhou část detektoru tvoří vyčítací čip, který pro každou buňku senzoru obsahuje zesilovač, dva diskriminátory, rozhodovací logiku a 13-bitový čítač. Oba čipy jsou pak propojeny sítí kulovitých kontaktů o průměru 20 μm (technologie bump-bonding). Běžné dostupné elektronické detektory IZ jako jsou CCD kamery nebo flat panely (používají se např. pro rentgenovou radiologii v nemocnicích) jsou založeny na principu integrace náboje. Částice IZ vygeneruje náboj, který je po dobu expozice ve vyčítacích obvodech shromažďován na příslušném kondenzátoru. Po ukončení expozice je tato hodnota analogově vyčíslena. Problémem je, že náboj se může z kondenzátoru v čase ztrácet nebo naopak se na kapacitě integruje veškerý šum elektroniky. Výsledkem je degradace detekovaného signálu projevující se např. v radiografii omezeným dynamickým rozsahem (menší rozlišitelností pozorovaných anatomických struktur).

Princip detekce hybridních pixelových detektorů se však liší. Ve vyčítacím čipu nedochází k integraci náboje generovaného příchozí ionizující částicí a vyčíslování této hodnoty. V detektorech typu Medipix2 je získaná hodnota náboje pro každé detekované kvantum v každém pixelu srovnána s jistou diskriminační hladinou (horní a dolní) a pokud tyto relace splní, digitální čítač zaznamená událost (viz. Obr. 3). Medipix2 je tedy maticí zhruba 65000 nezávislých jednokanálových analyzátorů, které mohou měřit nezávisle na sobě. Nová generace těchto detektorů nazvaná Timepix (tato verze je dodána pro školní měření), dovoluje navíc v každém pixelu měřit i energii, nebo čas dopadlé částice (jedná se tedy o matici více než 65000 nezávislých mnohokanálových analyzátorů).

Obr. 3: Princip detekce pomocí hybridních polohově citlivých detektorů typu Medipix: Příchozí ionizující částice generuje náboj, který je odveden podle příslušného přiloženého předpětí na polovodičovém senzoru do čipu elektroniky. Získaná hodnota náboje (napětí) je v každém pixelu zesílena a srovnána s jistou diskriminační hladinou (horní a dolní) a pokud splní diskriminační relace, digitální čítač zaznamená událost. Nová generace těchto detektorů Timepix dokáži vyhodnocovat i amplitudu pulsu (přesněji je měřena jeho délka) čímž je možné měřit energii dopadlé částice.

Výsledkem tohoto detekčního principu je úplná eliminace elektronického šumu, jediná nejistota v detekovaném signálu má statistický charakter, což se snadno redukuje detekcí dostatečného počtu částic. Detektor tak opravdu počítá každou jednotlivou částici IZ. Unikátní vlastnosti detektor předurčují k široké škále experimentálního nasazení, a to jak v základním výzkumu (atomová, jaderná a částicová fyzika), tak v mezioborových aplikacích, kde dominuje zejména vývoj zobrazovacích metod (rentg. transmisní radiografie, rentg. tomografie, zobrazování pomocí těžkých nabitých částic atd.). Mezi nejvýznamnější vlastnosti hybridních polohově citlivých detektorů typu Medipix/Timepix patří:

• Aktivní detekce (digitální, on-line výčet dat)
• Detekce různých částic (α, β, γ, ionty, s vhodným konvertorem i neutrony)
• Měření velmi slabých radiačních toků – detekce jednotlivých kvant IZ
• Vysoká detekční (kvantová) účinnost – částice α a β prakticky 100 %, 100 % pro x-ray do 8 keV
• Vysoká selektivita mezi jednotlivými druhy záření
• Eliminace temného proudu
• Šum separován úrovní tresholdu
• Provoz za pokojové teploty
• Neomezený dynamický rozsah
• Lineární čítání v širokém regionu
• Koincidenční a časová měření (implementace nebo generace triggeru)
• Dobré prostorové rozlišení (pixel 55 μm)
• Energetická citlivost, v případě detektoru Timepix přímo energetické rozlišení
• S USB rozhraním – přenosnost a variabilita pro různé experimentální nasazení

Nejsilnější stránkou těchto detektorů je, že dokáží vizualizovat IZ s prostorovým a v případě detektoru Timepix i energetickým rozlišením, a to digitálně a on-line. Nejnovější USB rozhraní s rychlým výčtem dat tedy umožňují, aby se daný detektor používal jako radiační kamera, která dokáže registrovat a vizualizovat každé jednotlivé kvantum IZ.