Изучение пиксельных арсенид галлиевых детекторов на основе микросхемы Timepix тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Смолянский Петр Игоревич

• Смолянский Петр Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Смолянский Петр Игоревич

Введение

Глава 1. Полупроводниковые гибридные пиксельные детекторы

1.1 Принцип работы

1.2 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

1.3 Арсенид галлия

1.4 Детекторы семейства Medipix

1.4.1 Medipix2, Timepix

1.4.2 Timepix3

1.4.3 Medipix3/3RX

1.4.4 Medipix4, Timepix4

1.4.5 Интерфейсы считывания для детекторов Timepix

1.5 Основные требования к полупроводниковым сенсорным материалам

1.5.1 Эффективность регистрации гамма-квантов

1.5.2 Удельное сопротивление

1.5.3 Эффективность сбора заряда

1.5.4 Однородность материала по площади

1.5.5 Стабильность характеристик во времени

1.5.6 Пространственное и энергетическое разрешение

1.6 Выводы к главе

Глава 2. Исследование свойств GaAs:Cr как материала для детекторов

2.1 Форма представления данных Timepix детекторов

2.2 Экспериментальный стенд «Калан»

2.3 Вольт-амперные характеристики

2.4 Транспортные характеристики носителей заряда

2.5 Эффективность сбора заряда

2.6 Эффективность регистрации гамма-квантов

2.7 Однородность отклика

2.8 Выводы к главе

Стр.

Глава 3. Стабильность GaAs:Cr-Timepix детекторов при облучении и

при изменении температуры

3.1 Стабильность спектральных характеристик

3.2 Стабильность счетных характеристик

3.3 Температурная зависимость

3.4 Соотношение сигнал-шум

3.5 Выводы к главе

Глава 4. Энергетическое и пространственное разрешение детектора

4.1 Внешние тестовые импульсы

4.1.1 Измерение формы сигнала усилителя

4.2 Энергетическая калибровка детектора

4.2.1 Настройка микросхемы Timepix

4.2.2 Выравнивание энергетических порогов

4.2.3 Калибровка энергетических порогов

4.2.4 Выравнивание энергетических порогов на разных энергиях

4.2.5 Энергетическая калибровка в режиме Time-over-Threshold

4.3 Энергетическое разрешение детектора

4.3.1 Энергетическое разрешение в режиме Time-over-Threshold

4.3.2 Энергетическое разрешение в счетном режиме

4.4 Пространственное разрешение детектора

4.5 Выводы к главе

Глава 5. Изучение эффекта разделения заряда на синхротронном

источнике

5.1 Профиль чувствительности пикселя

5.2 Энергетический отклик пикселя

5.3 Эффект при больших потоках гамма-квантов

5.4 Выводы к главе

Заключение

Благодарности

Список литературы

Стр.

Список рисунков

Список таблиц

Введение

Пиксельные полупроводниковые детекторы излучения - одни из самых высокотехнологичных приборов для регистрации частиц и гамма-излучения, на основе которых создаются калориметрические и координатные подсистемы физических установок с высокими энергетическим и пространственным разрешениями, а также с хорошим быстродействием. Детекторы, разрабатываемые для экспериментов в физике частиц, давно находят свое практическое применение и в других областях науки и технологии. Так, гибридные пиксельные детекторы, впервые примененные для регистрации треков частиц на экспериментах в CERN1, впоследствии хорошо зарекомендовали себя в задачах регистрации рентгеновских изображений. Технология производства гибридных пиксельных детекторов предполагает наличие двух основных элементов: чувствительного слоя детектора и микросхемы считывания. Благодаря малому размеру пикселя и режиму счета одиночных фотонов, реализованному в таких детекторах, они позволяют получать рентгеновские изображения с высоким пространственным разрешением при низком уровне шумов.

Материал сенсоров для гибридных пиксельных детекторов может быть выбран максимально удовлетворяющим условиям задачи при сохранении одной и той же микросхемы считывания. В большинстве таких детекторов чувствительные элементы (сенсоры) изготовлены из кремния, который, наряду с неоспоримыми преимуществами (однородность, хорошая изученность и доступность), обладает и рядом существенных недостатков, в частности, низкой эффективностью регистрации гамма-квантов с энергией более 30 кэВ (менее 25 % при толщине сенсора 1 мм) и недостаточной радиационной стойкостью при комнатной температуре. Некоторые области применения гибридных пиксельных детекторов, такие как рентгеновская компьютерная микротомография и рентгеновская радиография плотных веществ, требуют перехода к большим энергиям гамма-квантов, что, в свою очередь, инициирует разработки гибридных пиксельных детекторов на основе альтернативных кремнию более тяжелых полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).

За последние десятилетия произошел большой прогресс в производстве ар-сенида галлия, пригодного для создания детекторов частиц. Наибольший интерес

1 Европейский центр ядерных исследований.

к таким детекторам проявляют в задачах получения рентгеновских изображений, где необходима высокая эффективность регистрации излучения. Первые детекторы с использованием арсенида галлия компенсированного хромом (GaAs:Cr) появились в начале 2000-х годов и были, в основном, выполнены в падовой или микростриповой геометрии [1—3]. В 2008 году по инициативе группы сотрудников Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ЛЯП ОИЯИ) был создан первый прототип гибридного пиксельного детектора на основе GaAs:Cr и микросхемы Medipix2, имеющей 65536 независимых каналов обработки сигналов. Несмотря на первую попытку создания такого детектора, были получены многообещающие результаты, представленные на международном совещании «XI International Workshop on Radiation Imaging Detectors» (Прага, 2009) и затем опубликованные в работе [4]. Изучение свойств новых детекторов было продолжено в нескольких дальнейших работах [5; 6]. Но к настоящему времени отсутствуют результаты систематического исследования гибридных пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхемы Timepix. Получение таких результатов позволит сделать вывод о возможности использования GaAs:Cr-Timepix детекторов в тех или иных задачах, а также определить оптимальные параметры для работы детекторов в различных условиях.

Целью данной работы является:

1. систематическое исследование свойств полупроводниковых пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхемы считывания Timepix (GaAs:Cr-Timepix);

2. выявление границ областей применения GaAs:Cr-Timepix детекторов;

3. разработка процедуры энергетической калибровки GaAs:Cr-Timepix детекторов, работающих в режиме измерения энергии.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать основные требования, предъявляемые к гибридным пиксельным детекторам рентгеновских изображений.

2. Провести экспериментальные исследования характеристик новых GaAs:Cr-Timepix детекторов с различной толщиной сенсоров: вольт-амперные характеристики, эффективность сбора заряда, эффективность регистрации гамма-квантов, энергетическое и пространственное разрешение, соотношение сигнал-шум, долговременная стабильность, зависимость характеристик детекторов от температуры.

3. Разработать методику попиксельной энергетической калибровки GaAs:Cr-Timepix детекторов.

4. Исследовать влияние эффекта разделения заряда в GaAs:Cr-Timepix детекторах толщиной 1 мм.

5. Разработать программное обеспечение для работы с данными, получаемыми детекторами Timepix.

Научная новизна:

1. Впервые систематически изучены характеристики новых GaAs:Cr-Timepix детекторов.

2. Впервые измерены характеристики GaAs:Cr-Timepix детекторов с толщиной сенсора 1 мм.

3. Разработанная процедура энергетической калибровки позволила достигнуть высокого энергетического разрешения (8.7 кэВ (FWHM) на 57 кэВ) для GaAs:Cr-Timepix детекторов с размером пикселя 55 мкм и толщиной сенсора 1 мм, работающих в режиме измерения энергии.

4. Впервые выполнены измерения границ чувствительности пикселя в GaAs:Cr-Timepix детекторах с толщиной сенсора 1 мм.

Практическая значимость Исследованы характеристики новых пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхемы считывания Timepix, важные с точки зрения их практического применения. Определены основные параметры работы GaAs:Cr детекторов в различных режимах. Эти параметры используются в детекторах, установленных в рамках проекта ATLAS-GaAsPix [7].

Разработаны алгоритмы и создан комплекс программ для попиксельной калибровки и выравнивания пороговых уровней GaAs:Cr-Timepix детекторов. Разработан набор программ для обработки и анализа данных, получаемых детекторами Timepix.

Для исследований, проводимых в данной работе, была создана и введена в эксплуатацию установка для измерения характеристик полупроводниковых детекторов элементарных частиц, включающая в себя: экспериментальный стенд «Калан» с микрофокусной рентгеновской трубкой, экспериментальный стенд для измерения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковых детекторов и сенсорных пластин.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые систематически изучены характеристики новых пиксельных детекторов на основе микросхем считывания Timepix и сенсоров из

GaAs:Cr различной толщины (300, 500, 1000 мкм): энергетическое разрешение, пространственное разрешение, соотношение сигнал-шум, долговременная стабильность, зависимость характеристик детекторов от температуры, эффективность регистрации гамма-квантов.

2. Разработан метод итеративной энергетической калибровки пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхем считывания Timepix, работающих в режиме измерения энергии, с использованием линий характеристического рентгеновского излучения от 8 до 60 кэВ, позволяющего откалибровать энергетическую шкалу каждого пикселя и улучшить энергетическое разрешение детектора вдвое на энергии 57 кэВ.

3. Применен метод выравнивания порога дискриминатора каждого пикселя в гибридных пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхем считывания Timepix, работающих в режиме счета одиночных фотонов, с использованием линий характеристического рентгеновского излучения, позволяющего выровнять отклик каждого пикселя на энергиях калибровочных линий.

4. Определены оптимальные параметры гибридных пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхем считывания Timepix для различных режимов работы. Определена допустимая толщина сенсора из GaAs:Cr для пиксельных детекторов с размером пикселя 55 мкм, работающих в режиме счета одиночных фотонов при спектральных измерениях без схемы компенсации разделения заряда.

5. Измерены распределения по площади и глубине транспортных характеристик арсенида галлия GaAs:Cr двумя способами: а) при помощи моноэнергетических гамма-квантов низких энергий (15-17 кэВ); б) с использованием моноэнергетических электронов.

6. Для детекторов на основе микросхем считывания Timepix и сенсора из GaAs:Cr толщиной 1 мм измерена область чувствительности пикселя, обусловленная эффектом разделения заряда.

7. Облучение гибридных пиксельных детекторов на основе GaAs:Cr и микросхем считывания Timepix гамма-квантами высокой интенсивности (более 2.5 • 108 ф/мм2/с) вызывает деградацию отдельных областей детектора, обусловленную ростом тока утечки в этих областях.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной, общепринятой статистической обработкой результатов измерений, согласованностью

теоретических выводов с результатами их экспериментальной проверки. Результаты находятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XVIII международной научной конференции молодых ученых и специалистов (Дубна, 2014), на международном совещании «XVIII International Workshop on Radiation Imaging Detector» (Барселона, 2016), на международной конференции «Instrumentation for Colliding Beam Physics» (Новосибирск, 2017), на латино-американском симпозиуме «LASNPA WONP-NURT» (Гавана, 2017), на рабочих совещаниях коллаборации Medipix и семинарах ЛЯП ОИЯИ.

Личный вклад. Диссертационная работа является результатом исследований автора, проводившихся в Научно-экспериментальном отделе встречных пучков ЛЯП ОИЯИ. Личный вклад автора включает выбор методов решения задач, подготовку и проведение экспериментов, проведение расчетов, обработку и анализ полученных данных.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 4 статьях в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в список ВАК и международные базы данных Web of Science и Scopus, и в 4 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 128 страниц, включая 74 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 60 наименований.

Глава 1. Полупроводниковые гибридные пиксельные детекторы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение пиксельных арсенид галлиевых детекторов на основе микросхемы Timepix»

1.1 Принцип работы

Полупроводниковые детекторы представляют собой твердотельные ионизационные камеры, в которых чувствительной является область дрейфа неравновесных носителей заряда. Такая область должна обладать высоким удельным сопротивлением, что достигается обратным смещением р-п-перехода, либо созданием полуизолирующего материала путем легирования примесями с глубокими уровнями. Основные ионизационные потери энергии частиц, регистрируемых детектором, расходуются на возбуждение неравновесных носителей заряда (электрон-дырочных пар). Среднее число неравновесных носителей в треке составляет (^ = , где Ера„. - энергия, необходимая для возбуждения

одной электрон-дырочной пары, Е - ионизационные потери энергии частицы в объеме полупроводника. Ера„. определяется согласно [8] шириной запрещенной зоны полупроводника Её в соответствии с выражением: Ера1Г « 2.8 Её + 0.6 [эВ].

Рисунок 1.1 — Принцип работы полупроводникового детектора.

Поданное на электроды детектора напряжение смещения Ubias создает в объеме полупроводника электрическое поле E(x), под действием которого неравновесные носители заряда дрейфуют к соответствующим электродам и наводят заряды на считывающих электродах. При малых электрических полях дрейфовая скорость носителей заряда пропорциональна напряженности электрического поля [9]: U(x) = • E(x), где - подвижность носителей заряда. Затем в зарядово-чувствительном усилителе наведенный заряд усиливается и преобразуется в импульс напряжения, который в дальнейшем обрабатывается электроникой считывания. Этот процесс схематично изображен на рисунке 1.1.

Существует несколько способов расчета заряда, наведенного на электроде, вызванного движущимися носителями зарядов. Наиболее популярным и менее затратным с точки зрения вычислительных мощностей является метод, основанный на теореме Шокли-Рамо [10]. Согласно этой теореме, заряд Q на электроде, наведенный движущимся точечным зарядом q, находящимся в позиции x, может быть рассчитан как:

Q = ^ФМ, (1.1)

где Ф^) - весовой потенциал, т.е. такой электрический потенциал, который существовал бы в позиции x, при соблюдении следующих условий: рассматриваемый электрод находится под единичным потенциалом, а все остальные электроды - под нулевым потенциалом; любые заряды удалены из системы. Основным выводом из уравнения (1.1) является тот факт, что индуцированный заряд зависит только от величины весового потенциала в начальной и конечной точках дрейфа, и не зависит от траектории движения заряда, что существенно упрощает расчет тока на электроде.

При дрейфе электронов и дырок между электродами часть носителей реком-бинирует, либо захватывается на дефектах кристалла, и до контактов не доходит. Таким образом, наведенный ток определяется дрейфовыми длинами электронов Ln = unTn и дырок Lp = UpTp, которые преодолевают носители заряда за время жизни (тп и тр, соответственно), и зависит от глубины взаимодействия частицы с полупроводником x. Вводят величину, называемую эффективностью сбора заряда CCE1, определяющую долю заряда, наведенного на электроды Qind:, относительно образовавшегося количества носителей заряда Qo:

1от англ. Charge Collection Efficiency.

ССЕ = = 1 {Ьр(1 - е"^) + Ьп(1 - в"^)} , (1.2)

Выражение (1.2), называемое соотношением Хехта, показывает, что во-первых, эффективность сбора заряда на практике обычно ниже 100 % вследствие конечного времени жизни носителей заряда, и во-вторых, она зависит от точки взаимодействия частицы с веществом. Данный факт является ограничивающим при производстве детекторов рентгеновского излучения, поскольку высокая эффективность регистрации гамма-квантов диктует использование толстых сенсоров, что в свою очередь ограничено временами жизни носителей заряда. Таким образом, основным условием работы детекторов является Ьп > d и Ьр > d для получения значений ССЕ, близких к 100 %.

я 1

с CD

о

О. 0.8

О) С

? 06

0.4

0.2

-

- pitch/thickness -55/300 -55/500 -55/1000 -planar

-

-

^Г^ , , , L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Normalized detector thickness Рисунок 1.2 — Профиль весового потенциала для планарного детектора и для

пиксельных детекторов с шагом матрицы 55 мкм и толщиной сенсора 300, 500,

1000 мк (профиль через центр пикселя). Ось X отнормирована на толщину

сенсора. Пиксельные электроды находятся в точке 1 по оси X.

Для снижения влияния координаты точки взаимодействия частицы с полупроводником на наведенного на электрод заряд используют зависимость наведенного заряда от весового потенциала. Его форму изменяют таким образом, чтобы весовой потенциал был практически нулевым на всей толщине детектора, но быстро возрастал у считывающего электрода. Тогда образовавшиеся носители

заряда внесут основной вклад в импульс тока в цепи детектора только вблизи считывающего электрода. Данная методика нашла применение в пиксельных полупроводниковых детекторах. Они представляют собой планарный полупроводниковый сенсор, один электрод которого покрыт сплошной металлизацией, а другой имеет металлизацию в виде шахматной доски из отдельных пикселей. В этом случае весовой потенциал определяется соотношением толщины сенсора и размера пикселя, как это показано на рисунке 1.2. Искривление весового потенциала путем сегментации считывающего электрода называют эффектом маленького пикселя [11], благодаря чему удается создать пиксельные детекторы с хорошим энергетическим разрешением (при ССЕ, близкой к 100 %). Очевидно, что весовой потенциал планарного детектора представляет собой прямую линию ф(х) = х/^ определяемую толщиной детектора ^

Common electrode

Рисунок 1.3 — Иллюстрация эффекта разделения заряда: точечное облако зарядов в точке взаимодействия наводится на несколько соседних пикселей.

Возможность достижения более высокого пространственного и энергетического разрешения в пиксельных детекторах путем перехода к меньшим размерам пикселя ограничена размерами облака носителей заряда, созданного в точке взаимодействия гамма-кванта с веществом сенсора. Размеры облака определяются в основном пробегом фотоэлектронов, образованных в результате фотоэффекта. Также падающий гамма-квант может взаимодействовать с материалом сенсора через механизм комптоновского рассеяния. В результате могут образоваться две области энерговыделения, разнесенные друг от друга на расстояние большее размера пикселя. Падающий и соответствующий ему флюоресцентный гамма-квант

в некоторых случаях могут быть зарегистрированы несколькими соседними пикселями.

Кроме того, во время дрейфа пакеты носителей заряда диффундируют в сторону меньшей концентрации согласно закону Фика и испытывают куловское расталкивание, что ведет к увеличению размера облака, как это показано на рисунке 1.3. Решением уравнения диффузии для облака носителей заряда, представляющего в начальный момент времени точечное энерговыделение, является распределение Гаусса с дисперсией [11]:

где п = 3 - число пространственных измерений, D - коэффициент диффузии, кв - постоянная Больцмана, Т - температура, 1 - расстояние от точки взаимодействия до считывающего электрода, 1 - толщина сенсора детектора, е -заряд электрона, Иыав - напряжение смещения.

Образовавшиеся электрон-дырочные пары разделяются под действием приложенного электрического поля. Заряды одного знака внутри пакета отталкиваются друг от друга. Распределение зарядов из-за кулоновского отталкивания согласно модели [12] является сферическим в конце дрейфа. Зависимость радиуса сферы от времени t:

где N - число носителей заряда в облаке, £ - диэлектрическая проницаемость среды, £о - электрическая постоянная.

В результате влияния приведенных процессов облако электрон-дырочных пар способно навести заряд на несколько соседних пикселей. Это явление носит название эффекта разделения заряда [13], негативно сказывающегося на энергетическом и пространственном разрешении пиксельных детекторов. Это особенно существенно при использовании относительно толстых сенсоров (более 500 мкм) ввиду большей дрейфовой длины носителей заряда и, следовательно, большего вклада диффузии в увеличение облака носителей заряда. Вклад диффузии можно снизить повышением напряжения смещения, но на практике с ростом напряжения смещения растут темновые токи, что приводит к большему уровню шумов.

(1.3)

С другой стороны, эффект разделения заряда может быть использован как положительный, позволяющий при детектировании тяжелых заряженных частиц достигнуть субпиксельного пространственного разрешения.

1.2 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Основными процессами, сопровождающими прохождение рентгеновского (гамма-) излучения через вещество,Ы являются [14]:

- рэлеевское или когерентное рассеяние;

- комптоновское или некогерентное рассеяние;

- поглощение рентгеновского излучения в веществе (фотоэффект);

- образование электрон-позитронных пар в электрическом поле атомных ядер;

- ядерный фотоэффект.

Таким образом, полное сечение взаимодействия гамма-квантов с атомами вещества представляет суммарный вклад всех механизмов взаимодействия:

Ополн = Офот + °комп + Опар + Оког + Офя

На рисунке 1.4 представлено сечение полного взаимодействия гамма-квантов с атомами свинца и углерода и вклад в него различных механизмов передачи энергии гамма-излучения.

Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий гамма-квантов, как это показано на рисунке 1.4). В результате фотоэффекта, процесса неупругого взаимодействия гамма-излучения с веществом, падающий гамма-квант поглощается атомом и передает свою энергию одному из электронов, выбивая его с внутренней оболочки атома (например, К-оболочки). Вакансия, образующаяся после выбивания электрона, заполняется электроном с внешней оболочки (например, L-оболочки), имеющим меньшую энергию связи. В результате перехода электрона с внешней оболочки на внутреннюю освобождается энергия, равная разности энергий связи между уровнями, и происходит генерация характеристического излучения.

1 Mb

с

S3 л

1 kb

о О

1 b

10 mb

Л 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (a) Carao n (Z = 6)

о - experimental Gtot —

" U Gpe. \ h

GRayleigh

/ \ Knuc _

' GCompton Л / Ke

~ 1 ' 1 1 t \ 1 / У 1 ч+ 1 ~

1 Mb

1 kb

о О

1 b

10 eV

1 keV

1 MeV Photon Energy

1 GeV

100

10 mb

GeV 10

S 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - (b) Lead (Z = 82) -

- v9 4 o experimental Gtot

G Gpe.

"" GRayleigh ^ —

м«в»5а5ПМЗа>0а) 0 ° Knuc __

' a Compton / \ \ \ \ \ 4 4 ч — V ^ \ S N Л\\ i N

eV

1 keV

1 MeV Photon Energy

1 GeV 100 GeV

Рисунок 1.4 — Сечение полного взаимодействия гамма-излучения с атомами (а)

углерода и (Ь) свинца, а также вклад в него различных механизмов передачи энергии: Ор.е. - сечение фотоэффекта, о^ау^ь - сечение релеевского рассеяния, оСотр1юп - сечение комптоновского рассеяния, опис - сечение рождения пары электрон-позитрон в поле ядра, Og ^ г - сечение ядерного фотопоглощения.

Рисунок из работы [15].

Энергия связи электрона К-оболочки атомов вещества растет с атомным номером. Сечение фотоэффекта на К-оболочке атома сильно зависит от энергии гамма-квантов Ну и от заряда ядер Ъ вещества среды. Сечение фотоэффекта К-оболочке атома при малых энергиях гамма-квантов Ну ^ шее2 описывается выражением [14]:

(13 61 \ 7/2

-¿г) [см2]'

где шее2 - энергия покоя электрона, размерность Ну - эВ .

При энергиях Ну ^ mec2:

(°фот)

к

= 1.34 • 10

-33

Z5

■[см2],

(Ну)7/2

где размерность Ну - МэВ.

Относительный вклад в сечение за счет фотоэффекта на L-, М- и других оболочках невелик. Сечение фотоэффекта на L-оболочке составляет ~ 20 % от величины сечения на К-оболочке, а на М-оболочке ~ 5 % сечения на К-оболочке.

Полное сечение фотоэффекта примерно равно 5/4(афот)к. Таким образом, фотоэлектрическое поглощение растет с атомным номером элемента и уменьшается с ростом энергии гамма-кванта. Это объясняет огромные различия между затуханием излучения в воде и свинце. Вероятность взаимодействия падает непрерывно с увеличением энергии гамма-кванта, но резко возрастает на К-, L-, М-границах поглощения.

При более высоких значениях энергий гамма-квантов вероятность фотоэффекта очень мала, и основным механизмом их взаимодействия с веществом становится комптоновское рассеяние - процесс упругого взаимодействия гамма-кванта со свободным электроном. В результате взаимодействия падающий гамма-квант передает часть энергии электрону и изменяет направление своего движения. При рэлеевском рассеянии гамма-квант когерентно рассеивается на атомах вещества. Ни ионизации, ни возбуждения атомов при этом не происходит, гамма-квант рассеивается упруго. Относительная вероятность этих трех типов взаимодействий зависит от материала. При достаточно больших энергиях гамма-квантов (Е > 1.02 МэВ) процесс образования электро-позитронных пар начинает играть доминантную роль во взаимодействии излучения с веществом.

1.3 Арсенид галлия

В большинстве полупроводниковых детекторов сенсоры изготовлены из кремния который, наряду с неоспоримыми преимуществами, обладает существенным недостатком - низкой эффективностью регистрации гамма-квантов с энергией более 30 кэВ (менее 25 % при толщине сенсора 1 мм). В конце ХХ века стартовал новый этап в создании детекторов на основе сложных полупроводниковых соединений. Наиболее популярными из бинарных и тройных соединений в настоящее время являются арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe), кристаллы кадмий-цинк-теллура (CdZnTe). Арсенид галлия, чей атомный номер занимает промежуточное положение между Si и СdTe (CdZnTe), сейчас является одним из перспективных материалов для создания детекторов рентгеновских изображений в диапазоне энергий от 15 до 60-70 кэВ (эффектность поглощения рентгеновского излучения для энергий 60-70 кэВ составляет ~ 50 % при использовании арсенид-галлиевых сенсоров толщиной 1000 мкм).

Арсенид галлия - третий полупроводник по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Метод Чохральского является наиболее широко распространенным методом производства полуизолирующего слиточного арсенида галлия (LEC SI-GaAs) [16]. Материал, произведенный по этой технологии, пригоден для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, но обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих его применение в качестве детекторного материала. C этой точки зрения основной проблемой LEC SI-GaAs является наличие глубоких донорных EL2 центров (наиболее распространена модель EL2 центра как атома As в подрешетке Ga в комплексе с вакансией мышьяка Vas и атомом мышьяка в междоузлии Asi [17]), которые в ионизованном состоянии EL2+ имеют большое сечение захвата электронов (^10~13 см2) [18], ограничивающее время жизни электронов до 0.2 нс, что обуславливает низкую эффективность сбора заряда. Неоднородное распределение напряженности электрического поля по толщине детектора и недостаточно высокое удельное сопротивление [3] также существенно ограничивают широкое использование LEC SI-GaAs в детекторной тематике. Поэтому, несмотря на многочисленные попытки [16], до последнего времени не удавалось создать на основе LEC SI-GaAs детекторы хорошего качества. Тем не менее, полученные результаты позволили прийти к выводу о том, что необходимо снижать влияние EL2+ центров. Существует несколько способов достижения этой цели [19]:

1. уменьшение концентрации EL2+ центров - получение более «чистого» арсенида галлия (с концентрацией примесей до 1013 см"3), что ведет к необходимости снижения температуры роста SI-GaAs и переходу к эпи-таксиальной технологии;

2. заполнение EL2+ центров электронами. Тогда они будут находиться в состоянии электронейтральности: EL2+ + e ^ EL20. Это может быть достигнуто, если в процессе выращивания GaAs легируется мелкими донорами с концентрацией Nd > NEL2 с последующей перекомпенсацией глубокой акцепторной примесью хрома Ncr при высокотемпературных обработках.

Толщина рабочей области GaAs образцов, выращенных по эпитаксиаль-ной технологии не превышает 35 мкм [19] и хотя может быть увеличена до 100 мкм, это является недостаточным значением для эффективных детекторов рентгеновского излучения. Используя второй подход, в Томском государственном

университете (ТГУ) под руководством профессора О.П. Толбанова была создана технология компенсации слоев GaAs электронного типа проводимости глубокой акцепторной примесью хрома в процессе высокотемпературной диффузии, позволяющая получать высокоомный материал GaAs:Cr с толщиной до 1 мм. Удельное сопротивление для нового материала достигло значений порядка 109 Омсм [3], что близко к максимальным значениям для полуизолирующего арсенида галлия [18], и приводит к приемлемым уровням шумов, обусловленным темновыми токами. Кроме того, как было показано в работе [3], напряженность электрического поля имеет равномерное распределение по толщине сенсора, а время жизни неравновесных носителей заряда (электронов) составляет ^10 нс при времени жизни дырок ^0.2 нс. В настоящее время группа ТГУ производит сенсоры из GaAs:Cr различной топологии на пластинах до 4-х дюймов с толщиной до 1 мм.

Идея использования арсенида галлия GaAs:Cr для создания гибридных пиксельных детекторов появилась в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований у группы под руководством Г. А. Шелкова. Первый прототип детектора Medipix2 с сенсором из GaAs:Cr был создан в 2008 году и оказался достаточно успешным [4]. Тем не менее, к моменту начала автором работ по тематике GaAs:Cr пиксельных детекторов отсутствовали результаты систематических исследований их свойств.

1.4 Детекторы семейства Medipix

Medipix - семейство гибридных пиксельных микросхем считывания, разработанных международной коллаборацией Medipiх [20], базирующейся в Европейском центре ядерных исследований. Гибридная технология производства пиксельных детекторов (рисунок 1.5), что означает соединение чувствительного полупроводникового слоя детектора с микросхемой считывания пайкой методом перевернутого кристалла, была разработана для детекторов в физике частиц, но со временем была показана возможность применения данной технологии для решения прикладных задач, например, таких как получение рентгеновских изображений и рентгеновской компьютерной томографии. Гибридная технология позволяет использовать различные материалы чувствительных элементов в

зависимости от области применения детектора: полупроводники, микроканальные пластины и даже газовые камеры [21].

Рисунок 1.5 — Структура гибридного пиксельного детектора (изображение с

сайта коллаборации Medipix [20]).

Разработка семейства микросхем Medipix была начата в 90-х годах XX века и продолжается до сих пор. Medipixl [22] - одна из первых пиксельных микросхем, разработанных на основе принципа счета одиночных фотонов (обеспечивается наличием зарядово-чувствительного усилителя и дискриминатора в цепи электроники каждого пикселя) и гибридной пиксельной технологии. Она была создана в 1997 году с использованием 1 мкм CMOS технологии. Микросхема Medipixl состоит из матрицы 64х64 квадратных пикселей с шагом 170 мкм. Эволюция микросхем Medipix идет в сторону уменьшения технологического процесса, по которому производят микросхемы, что в конечном счете дает возможность реализовать больше функций при тех же размерах пикселя, подняв при этом быстродействие и уменьшив потребляемую мощность.

В детекторах на основе микросхем Medipix до 3-го поколения информация с матрицы микросхемы представлена в виде кадров, т.е. детектор регистрирует частицы в течении некоторого заданного времени экспозиции, когда затвор открыт, за которым следует «мертвое» время, необходимое для считывания информации с матрицы микросхемы. Это так называемый режим считывания кадрами («sequential»). Начиная с микросхемы Timepix3, наряду с этим режимом работы, реализуется режим работы без триггера («data driven»), когда передача информации из пикселя происходит сразу после того, как частица зарегистрирована пикселем. В микросхемах Medipix3 дополнительно реализован режим непрерывного чтения-записи. Он позволяет считывать данные с детектора без «мертвого»

времени, и доступен во всех режимах, но при использовании половины имеющихся порогов дискриминатора.

Основной принцип работы микросхем Medipix заключается в следующем: заряды, которые генерируются в материале сенсора при взаимодействии с частицами, дрейфуют к собирающим электродах под действием электрического поля в сенсоре, и в итоге наводят импульс тока на входе усилителя каждого пикселя. Поскольку время сбора заряда очень мало (порядка нескольких наносекунд в кремнии [11]), выходной сигнал с сенсора может быть представлен в виде 6-импульса тока, интеграл которого равен суммарному наведенному заряду Этот заряд интегрируется на конденсаторе обратной связи зарядово-чувствительного усилителя. После усиления амплитуда выходного сигнала сравнивается с заданным уровнем напряжения в схеме дискриминатора. Если амплитуда сигнала превышает этот уровень (энергетический порог), то событие записывается. Затем сигнал с дискриминатора обрабатывается в цифровой части пиксельной электроники и, в простейшем случае, соответствует увеличению счета в счетчике. Энергетический порог и другие параметры микросхемы контролируются набором регулируемых по току и напряжению цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), расположенных на периферии микросхемы. Такая архитектура является основой всех последующих поколений микросхем Medipix.

Зарядо-чувствительные усилители в микросхемах Medipix реализованы согласно архитектуре, предложенной Ф.Крумменахером [23]. Они способны обрабатывать как отрицательные, так и положительные входные заряды и, таким образом, позволяют использовать широкий диапазон материалов для сенсоров. Схема усилителя показана на рисунке 1.6. В этой схеме, помимо ЦАП, которые контролируют питание и динамический диапазон усилителя, ток 1кгит ЦАП имеет две важные функции: во-первых, он позволяет компенсировать ток утечки в сенсоре и может обрабатывать токи до 1кгит (как правило, порядка 1-20 нА) в режиме сбора дырок и до 1кгит/2 в режиме сбора электронов.

Во-вторых, 1кгит контролирует скорость разряда конденсатора Ог обратной связи усилителя и фактически определяет его коэффициент усиления: К = Qin/Cf, где Qin - наведенный заряд. При увеличении тока 1кгит, время необходимое, чтобы сигнал вернулся к базовому уровню, уменьшается, как показано на рисунке 1.7. Быстрый разряд приводит к уменьшению наложений сигналов, но в то же время - к более низким длительностям сигнала из-за взаимосвязи между временем

Рисунок 1.6 — Блок-схема усилителя Крумменахера, используемого в микросхемах Medipix (из работы [24]).

нарастания и временем спада, что ведет к уменьшению энергетического разрешения при оцифровке длительности сигнала. При слишком большом значении 1кшт может произойти обратный выброс импульса, который будет некорректно обработан. Таким образом, оптимальное значение 1кгит подбирается для каждой задачи индивидуально, как компромисс между энергетическим разрешением и максимально допустимым потоком частиц.

После усиления сигнал подается на дискриминатор. На выходе дискриминатора создается постоянный уровень напряжения (равный логической единице), так долго, как выходной сигнал формирователя находится выше порогового уровня дискриминатора. В зависимости от версии и режима работы микросхемы, дальнейшая обработка сигнала с дискриминатора ведется двумя основными способами: или соответствующий счетчик увеличивается на единицу или оцифровывается длительность сигнала на уровне порога, и это значение записывается в счетчик.

Небольшие связанные с процессом производства микросхем Medipix отличия разных пикселей (например, неидентичность характеристик транзисторов),

Рисунок 1.7 — Схематично изображенный выходной сигнал с усилителя для

различных значений 1кгит.

приводят к дисперсии энергетических порогов от пикселя в пикселю и, таким образом, к разбросу счетных характеристик в разных пикселях матрицы. Чтобы свести к минимуму пороговую дисперсию, в дискриминаторной схеме каждого пикселя используются дополнительные источники тока. Они могут быть индивидуально настроены для каждого пикселя с помощью 3-х (для Medipix2), 4-х (для Timepix) или 5-ти (Medipix3) битов ЦАП. Наиболее часто применяемый метод выравнивания характеристик электроники пикселей использует пороговое сканирование по шумовому уровню усилителя для подбора индивидуального значения порога каждого пикселя.

Счетчики микросхем Medipix выполнены в виде сдвигового регистра с линейной обратной связью (LFSR) с битом переполнения. Когда внутренний затвор активен, счетчик в каждом пикселе подключен к выходу дискриминатора и, таким образом, используется для сбора данных. После сбора данных, затвор переключает свое состояние, и счетчики выступают в роли регистров сдвига; затем пиксели в каждом столбце соединяются и работают как один большой регистр сдвига для считывания и передачи данных на электронику считывания.

1.4.1 Medipix2, Timepix

Использование 0.25 мкм CMOS технологии позволило уменьшить размер пикселя до 55 мкм, при этом общее число пикселей в микросхеме было увеличено до 256x256. Несмотря на меньший размер пикселя, новый технологический процесс позволил увеличить функциональность микросхемы: в микросхеме Medipix2/2MXR [25] был введен второй порог для отбора фотонов в заданном энергетическом окне. Микросхема имела несколько рабочих режимов:

1. в счетном режиме считаются частицы с энергией выше нижнего порога;

2. в режиме энергетического «окна» считаются фотоны с энергией, лежащей в диапазоне выше нижнего порога, но ниже верхнего.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смолянский Петр Игоревич, 2018 год

Список литературы

1. GaAs resistor structures for X-ray imaging detectors / G. Ayzenshtat [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2002. — Vol. 487, no. 1. —P. 96—101.

2. Charge collection in X-ray pixel detectors based on semi-insulating GaAs doped with Cr / G. Ayzenshtat [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2002. — Vol. 494, no. 1. — P. 210—213.

3. GaAs radiation imaging detectors with an active layer thickness up to 1mm / A. Tyazhev [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2003. - Vol. 509, no. 1. - P. 34-39.

4. Tlustos, L. Characterisation of a GaAs (Cr) Medipix2 hybrid pixel detector / L. Tlustos, G. Shelkov, O. Tolbanov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2011. — Vol. 633. — S103—S107.

5. Characterization of photon counting pixel detectors based on semi-insulating GaAs sensor material / E. Hamann [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. Vol. 425. —2013. — P. 062015.

6. Performance of a Medipix3RX spectroscopic pixel detector with a high resistivity gallium arsenide sensor / E. Hamann [et al.] // IEEE transactions on medical imaging. — 2015. — Vol. 34, no. 3. — P. 707—715.

7. Proposal to Measure Radiation Field Characteristics, Luminosity and Induced Radioactivity in ATLAS with TIMEPIX detectors having GaAs:Cr sensors: Project GaAsPix / D. Dedovich [и др.]. — 2015. — URL: https://cds.cern.ch/ record/2133145 (дата обр. 12.12.2017).

8. Spieler, H. Semiconductor detector systems. Т. 12 / H. Spieler. — Oxford university press, 2005.

9. Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов / С. М. Зи. — Рипол Классик, 1973.

10. He, Z. Review of the Shockley-Ramo theorem and its application in semiconductor gamma-ray detectors / Z. He // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2001. — Vol. 463, no. 1. — P. 250—267.

11. Knoll, G. F. Radiation detection and measurement / G. F. Knoll. — John Wiley & Sons, 2010.

12. Benoit, M. Simulation of charge collection processes in semiconductor CdZnTe Y-ray detectors / M. Benoit, L. Hamel // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2009. — Т. 606, № 3. — С. 508—516.

13. Jakubek, J. Energy-sensitive X-ray radiography and charge sharing effect in pixelated detector / J. Jakubek // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2009. — Т. 607, № 1. — С. 192—195.

14. Черняев, А. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом / А. Черняев. — Физматлит М., 2004.

15. Hubbell, J.Review of photon interaction cross section data in the medical and biological context / J. Hubbell // Physics in Medicine & Biology. — 1999. — Т. 44, № 1.—R1.

16. Buttar, C. GaAs detectors - A review / C. Buttar // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 1997. — Vol. 395, no. 1. — P. 1—8.

17. Баграев, Н. EL2-^rnp в GaAs: симметрия и метастабильность / Н. Баграев // ЖЭТФ. — 1991. — Т. 100, № 4. — С. 1378.

18. Толбанов, О. П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия / О. П. Толбанов // Вестник Томского государственного университета. — 2005. — № 285.

19. GaAs structures for X-ray imaging detectors / G. Ayzenshtat [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2001. — Vol. 466, no. 1. — P. 25—32.

20. Medipix Collaboration website. — 2018. — URL: https://medipix.web.cern.ch (дата обр. 13.02.2018).

21. Ballabriga, R. Asic developments for radiation imaging applications: The medipix and timepix family / R. Ballabriga, M. Campbell, X. Llopart // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2018. — T. 878. — C. 10-23.

22. A readout chip for a 64/spl times/64 pixel matrix with 15-bit single photon counting / M. Campbell [et al.] // IEEE transactions on nuclear science. — 1998. — Vol. 45, no. 3.

23. Krummenacher, F. Pixel detectors with local intelligence: an IC designer point of view / F. Krummenacher // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 1991. — Vol. 305, no. 3. — P. 527—532.

24. Llopart, X. Design and characterization of 64K pixels chips working in single photon processing mode : PhD thesis / Llopart X. — Sundsvall : Mid Sweden University, 2007.

25. Medipix2, a 64k pixel read out chip with 55 |j,m square elements working in single photon counting mode / X. Llopart [et al.] // Nuclear Science Symposium Conference Record, 2001 IEEE. Vol. 3. — 2001. — P. 1484—1488.

26. Imaging properties of the Medipix2 system exploiting single and dual energy thresholds / L. Tlustos [et al.] // IEEE transactions on nuclear science. — 2006. — Vol. 53, no. 1.—P. 367—372.

27. Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements / X. Llopart [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2007. — Vol. 581, no. 1. — P. 485-494.

28. Particle identification using the time-over-threshold method in the ATLAS Transition Radiation Tracker / T. Akesson [h gp.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2001. — T. 474, № 2. — C. 172—187.

29. Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA/ToT and sparse readout / T. Poikela [et al.] // Journal of instrumentation. — 2014. — Vol. 9, no. 05.—P. C05013.

30. Medipix3: A 64k pixel detector readout chip working in single photon counting mode with improved spectrometric performance / R. Ballabriga [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2011. — Vol. 633. — S15—S18.

31. The Medipix3RX: a high resolution, zero dead-time pixel detector readout chip allowing spectroscopic imaging / R. Ballabriga [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2013. — Vol. 8, no. 02. — P. C02016.

32. FITPix-fast interface for Timepix pixel detectors / V. Kraus [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2011. — Vol. 6, no. 01. — P. C01079.

33. A Gigabit per second read-out system for Medipix Quads / J. Visser [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2011. — Vol. 633. — S22—S25.

34. Hubbell, J. H. Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 keV to 20 MeV for elements Z= 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest : тех. отч. / J. H. Hubbell, S. M. Seltzer ; National Inst. of Standards ; Technology-PL, Gaithersburg, MD (United States). Ionizing Radiation Div. — 1995.

35. Rudolph, P. Dislocation cell structures in melt-grown semiconductor compound crystals / P. Rudolph // Crystal Research and Technology. — 2005. — Т. 40, № 1/ 2. - С. 7-20.

36. Boreman, G. D. Modulation transfer function in optical and electro-optical systems. Т. 21 / G. D. Boreman. — SPIE press Bellingham, WA, 2001.

37. Tlustos, L. Performance and limitations of high granularity single photon processing X-ray imaging detectors : дис. ... канд. / Tlustos Lukas. — Vienna, Tech. U., Atominst., 2005.

38. Samei, E. A method for measuring the presampled MTF of digital radiographic systems using an edge test device / E. Samei, M. J. Flynn, D. A. Reimann // Medical physics. — 1998. — Т. 25, № 1. — С. 102—113.

39. Pixelman: a multi-platform data acquisition and processing software package for Medipix2, Timepix and Medipix3 detectors / D. Turecek [и др.] // Journal of Instrumentation. — 2011. — Т. 6, № 01. — С. C01046.

40. ROOT—A C++ framework for petabyte data storage, statistical analysis and visualization / I. Antcheva [и др.] // Computer Physics Communications. — 2009. - Т. 180, № 12. - С. 2499-2512.

41. Рентгеновский аппарат SB120-350. — 2018. — URL: http://www.sourceray. com/oem (дата обр. 13.02.2018).

42. Оптическое оборудование Standa. — 2018. — URL: http://vicon-se.ru/ (дата обр. 13.02.2018).

43. Источник измеритель Keithley. — 2018. — URL: https://ru.tek.com/keithley-source-measure-units/keithley-smu-2400-series -sourcemeter-manual-3 (дата обр. 13.02.2018).

44. ТРМ210 ПИД-регулятор одноканальный. — 2018. — URL: http://www.owen. ru/catalog/pid_regulyator_s_interfejsom_rs_485_owen_trm210/opisanie (дата обр. 13.02.2018).

45. Temperature dependencies of current-voltage characteristics of GaAs: Cr / I. Kolesnikova [и др.] // Journal of Instrumentation. — 2016. — Т. 11, № 03. — С. C03059.

46. Kasap, S. Springer handbook of electronic and photonic materials / S. Kasap, P. Capper. — Springer, 2017.

47. Lachish, U. Electron Lifetime Determination in Semiconductor Gamma Detector Arrayes / U. Lachish // arXiv preprint arXiv:1701.03459. — 2017.

48. Geuzaine, C. Gmsh: A 3-D finite element mesh generator with built-in pre-and post-processing facilities / C. Geuzaine, J. Remacle // International journal for numerical methods in engineering. — 2009. — Vol. 79, no. 11. — P. 1309—1331.

49. Amptek A250 Charge Sensitive Preamplifier. — 2018. — URL: http://amptek. com/products/a250-charge-sensitive-preamplifier/ (дата обр. 13.02.2018).

50. Ritt, S. Development of high speed waveform sampling ASICs / S. Ritt // NSNI-2010 Mumbai. — 2010.

51. Novgorodova, O. Characterisation and application of radiation hard sensors for LHC and ILC : тех. отч. / O. Novgorodova. — 2013.

52. Landau, L. On the energy loss of fast particles by ionization / L. Landau // J. Phys.(USSR). - 1944. - Т. 8. - С. 201-205.

53. Ayzenshtat, A. Modeling of processes of charge separation in a GaAs detector / A. Ayzenshtat, O. Tolbanov, A. Vorobiev // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2002. — Т. 494, № 1—3. — С. 199—204.

54. Blakemore, J.Semiconducting and other major properties of gallium arsenide / J. Blakemore // Journal of Applied Physics. — 1982. — Т. 53, № 10. -R123—R181.

55. Jakubek, J.Precise energy calibration of pixel detector working in time-over-threshold mode / J. Jakubek // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2011. — Vol. 633. — S262—S266.

56. X-ray absorption edges, characteristic X-ray lines and fluorescence yields. — 2018. — URL: http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_ 2/4_2_1.html (дата обр. 13.02.2018).

57. Boog, R. van der. Energy calibration procedure of a pixel detector / R. van der Boog // Bachelor thesis of applied physics (B. Eng.), The Hague university of applied sciences. — 2013.

58. Imagej SE-MTF plugin webpage. — 2017. — URL: https://imagej.net/plugins/se-mtf/index.html (дата обр. 07.07.2017).

59. GEANT4-a simulation toolkit / S. Agostinelli [et al.] // Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2003. — Vol. 506, no. 3. — P. 250—303.

60. Characterisation of GaAs: Cr pixel sensors coupled to Timepix chips in view of synchrotron applications / C. Ponchut [и др.] // Journal of Instrumentation. — 2017. - Т. 12, № 12. - С. C12023.

Публикации автора по теме диссертации

A1. Measurement of the energy resolution and calibration of hybrid pixel detectors with GaAs: Cr sensor and Timepix readout chip / P. Smolyanskiy [et al.] // Physics of Particles and Nuclei Letters. — 2015. — Vol. 12, no. 1. — P. 59—73.

A2. Characterization of GaAs:Cr based Timepix detector using synchrotron radiation and charged particles / P. Smolyanskiy [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2016.-Vol. 11, no. 12. — P. C12070.

A3. Study of a GaAs: Cr-based Timepix detector using synchrotron facility / P. Smolyanskiy [etal.] // Journal of Instrumentation. —2017. — Vol. 12, no. 11. — P11009.

A4. Properties of GaAs:Cr-based Timepix detectors / P. Smolyanskiy [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2018. — Vol. 13, no. 02. — T02005.

A5. Смолянский, П. Энергетическая калибровка гибридных GaAs:Cr пиксельных детекторов на основе микросхем считывания Timepix / П. Смолянский // XVIII международная научная конференция молодых ученых и специалистов (0МУС-2014). - 2014.

A6. On the possibility to use semiconductive hybrid pixel detectors for study of radiation belt of the Earth / A. Guskov [et al.] // Международная конференция ICPPA-2015.-2016.

A7. Smolyanskiy, P. Characterization of GaAs:Cr detectors / P. Smolyanskiy // The International Conference Instrumentation for Colliding Beam Physics. — 2017.

A8. Smolyanskiy, P. Properties of GaAs:Cr-based pixel detectors / P. Smolyanskiy // LASNPA WONP-NURT. — 2017.

Список рисунков

1.1 Принцип работы полупроводникового детектора............. 10

1.2 Профиль весового потенциала для планарного детектора и для пиксельных детекторов с шагом матрицы 55 мкм и толщиной сенсора 300, 500, 1000 мк (профиль через центр пикселя). Ось X отнормирована на толщину сенсора. Пиксельные электроды

находятся в точке 1 по оси X......................... 12

1.3 Иллюстрация эффекта разделения заряда: точечное облако зарядов в точке взаимодействия наводится на несколько соседних пикселей. . . . 13

1.4 Сечение полного взаимодействия гамма-излучения с атомами (а) углерода и (Ь) свинца, а также вклад в него различных механизмов передачи энергии: ор.е. - сечение фотоэффекта, о^ау^ь - сечение релеевского рассеяния, осотр^п - сечение комптоновского рассеяния,

апис - сечение рождения пары электрон-позитрон в поле ядра, - сечение ядерного фотопоглощения. Рисунок из работы [15]......16

1.5 Структура гибридного пиксельного детектора (изображение с сайта коллаборации Medipix [20]).........................20

1.6 Блок-схема усилителя Крумменахера, используемого в микросхемах Medipix (из работы [24])...........................22

1.7 Схематично изображенный выходной сигнал с усилителя для различных значений 1кгат..........................23

1.8 Диаграмма пикселя микросхемы Timepix (из статьи [27]).........25

1.9 Принцип метода Time-over-Threshold....................25

1.10 Иллюстрация алгоритма суммирования заряда в микросхеме Medipix3RX (из работы [31]).........................27

1.11 Интерфейс считывания FitPix для детекторов Timepix........... 30

1.12 Relaxd интерфейс для детекторов Timepix.................31

1.13 Зависимости от энергии вероятности поглощения гамма-квантов кремнием, арсенидом галлия и теллуридом кадмия толщиной 500

мкм. Зависимости построены по данным [34]...............33

2.1 GaAs:Cr-Timepix детектор в сборе с интерфейсом считывания Fitpix. . 39

2.2 Структура контактов анод-GaAs:Cr-катод, нанесенных на GaAs:Cr сенсоры....................................40

2.3 Характерный кадр детектора Timepix, полученный при засветке излучением рентгеновской трубки в режиме (а) Time-over-Threshold и

(б) Medipix...................................41

2.4 Фотография экспериментального стенда «Калан», на которой

показаны его основные узлы.........................43

2.5 Фотография внутренней части рентгенозащищенной камеры экспериментального стенда «Калан»....................43

2.6 Вольт-амперные характеристики детектора F09-W0087 в температурном диапазоне [-10, 20] оС....................45

2.7 Вольт-амперные характеристики детектора F09-W0087 в температурном диапазоне [30, 70] оС....................45

2.8 Зависимость удельного электрического сопротивления GaAs:Cr материала сенсора детектора F09-W0087 от температуры в диапазоне [-10,70] оС...................................46

2.9 Распределение весового потенциала по толщине сенсора для нескольких толщин сенсора: 300, 500, 1000 мкм..............48

2.10 Пример фитирования зависимости Q(U) для трех произвольно выбранных пикселей детектора L05-W0225................ 49

2.11 Распределение величины ц.птп, построенное для всех пикселей детектора L05-W0225 (а). Распределение величины ц,птп по площади детектора L05-W0225 (б)........................... 50

2.12 Схема экспериментальной установки для измерения эффективности сбора заряда в GaAs:Cr детекторе......................51

2.13 Амплитудный спектр, регистрируемый установкой при облучении детектора источником 90 Sr: левый пик - пьедестал, правый - сигнал (а). Эффективность сбора заряда в GaAs:Cr детекторе и ширина пьедестала для разных температур (б)...................51

2.14 Отношение эффективностей (теоретической и экспериментальной, показанных зелеными и синими маркерами, соответственно) регистрации гамма-квантов GaAs:Cr и Si детекторами толщиной 500

мкм в зависимости от энергии гамма-квантов...............53

2.15 Распределение по площади детектора счета в пикселях, скорректированного на открытое поле (б) и счета без коррекции (а). Граничные пиксели исключены из рассмотрения ввиду высокой скорости счета, обусловленной большими темновыми токами......54

2.16 Распределение счета по пиксельной матрице для скорректированного на открытое поле кадра (синий цвет) и для кадра без коррекции (зеленый цвет)................................. 55

3.1 Фотография экспериментального стенда для измерения долговременной стабильности GaAs:Cr-Timepix детектора (а). Пример фитирования линии 59.5 кэВ в спектре гамма-источника

241 Ат (б).................................... 58

3.2 Изменение положения фотопика гамма-источника 241 Ат в зависимости от времени...........................58

3.3 Изменение положения фотопика гамма-источника 241 Ат в зависимости от времени в нескольких областях детектора. Нормировка проведена на положение фотопика, усредненное по статистике со всех пикселей детектора...................59

3.4 Среднее число отсчетов детектора в кадре в зависимости от времени для двух токов трубки 100 мкА и 350 мкА. Нормировка проведена на среднее число отсчетов в первых 10 кадрах................60

3.5 Среднее число отсчетов детектора в кадре в зависимости от времени на масштабе 12 часов. Нормировка проведена на среднее число отсчетов в первых 10 кадрах......................... 61

3.6 Среднеквадратичное отклонение отсчетов детектора в кадре в зависимости от времени на масштабе 12 часов. Нормировка

проведена на первые 10 кадров.......................61

3.7 Положение фотопика 59.5 кэВ источника 241 Ат при различных температурах детектора J03-W0247..................... 62

3.8 Зависимость среднего счета в матрице детектора от времени при стабилизированных температурах Т = 22 °С, Т = 25 °С, Т = 28 0С, а также без стабилизации температуры.................... 63

3.9 Соотношение сигнал-шум для скорректированного на открытое поле изображения в зависимости от числа кадров, взятых для коррекции. Кадр с объектом выбран в различных временных точках серии измерений: на 20 с, 1800 с и 3400 с. Оранжевым цветом показано соотношение сигнал-шум для Timepix детектора с кремниевым сенсором.................................... 65

4.1 Общая схема установки для подачи внешних импульсов на общий контакт сенсора детектора. Номиналы резистора R = 5 МОм и конденсатора С = 1 мкФ. (а). Схема взаимного расположения ТТЪ сигнала-триггера, открывающего кадр детектора, и импульса напряжения на общем контакте детектора (б)...............68

4.2 Принцип измерения формы сигнала усилителя с помощью внешних импульсов напряжения............................69

4.3 Передний фронт импульса напряжения усилителя для трех значений Ргеатр: 100, 170, 255, и фиксированных значений 1ктт = 1,

Qin = 5.95 ke~/пиксель. В качестве 0 по оси времени выбрано время пересечения сигналом минимального порога. Линиями показаны результы фитирования квадратичным полиномом.............70

4.4 Форма импульса напряжения усилителя для значений 1кшт = 1 и Ргеатр = 255 при зарядах Qin = 5.95 ke~/пиксель и

Qin = 11.9 ke~/пиксель (а). Форма импульса напряжения усилителя

для значений 1кшт = 1 и 1ктт = 3, Ргеатр = 255 при заряде

Qin = 11.9 ke"/пиксель (б)..........................71

4.5 Зарядовая калибровка усилителя микросхемы Timepix, полученная с помощью внешних тестовых импульсов. Красным цветом показаны результаты фитирования линейной функцией...............72

4.6 Результаты выравнивания пороговых уровней детектора Timepix. Красным цветом показано распределение позиции края шума пикселей при THLadj = 0, синим - при THLadj = 15, черным - после выравнивания порогов............................76

4.7 Пример фитирования спектра РХИ индия, полученного в режиме счета одиночных фотонов детектором F09-W0089 (после дифференцирования).............................77

4.8 Калибровочная кривая THL(EY) для детектора F09-W0089........ 78

4.9 Пример фитирования функцией (4.3) интегрального спектра РХИ индия, полученного в режиме счета одиночных фотонов детектором J03-W0247 (а). Дифференциал функции (4.3) показан красным

цветом, вклад в (4.3) функции распределения Гаусса - синим (б). ... 79

4.10 Распределения пороговых уровней для каждого пикселя: при AdjBit = 0 (красный цвет), при AdjBit =15 (синий цвет). Распределение выровненных порогов пикселей после проведенной процедуры энергетической эквализации показано черным цветом..........81

4.11 Распределение счета в пикселях после стандартного выравнивания порогов (синий цвет) и после энергетического выравнивания порогов (красный цвет)................................. 82

4.12 Изображение открытого поля детектора D08-W0153, полученное засветкой детектора РХИ циркония после (а) шумового выравнивания порогов и (б) энергетического выравнивания порогов

по характеристической линии циркония..................83

4.13 Схема установки для калибровки GaAs:Cr-Timepix детекторов с использованием характеристического излучения в геометрии «отражение».................................. 84

4.14 Спектр РХИ тантала: a) измеренный германиевым детектором Canberra; б) свертка спектра измеренного детектором Canberra c разрешением детектора Timepix (синий цвет), и с учетом эффективности поглощения гамма-квантов в GaAs:Cr (зеленый цвет). . 85

4.15 Пример фитирования функцией (4.4) TOT спектра характеристического излучения родия, измеренного одним из

пикселей GaAs:Cr-Timepix детектора....................86

4.16 Двумерное (а) и одномерное (б) распределения положения фотопика

в спектре родия, построенные для всех пикселей детектора J03-W0247. 87

4.17 Калибровочные кривые для 32 произвольно выбранных пикселей детектора J03-W0247 и обобщенная калибровочная кривая (черная пунктирная линия)..............................87

4.18 Энергетические спектры источника 241 Am, полученные после обобщенной (синий цвет) и попиксельной (красный цвет) калибровок детектора J03-W0247............................. 88

4.19 Зависимость положения спектрального пика индия в единицах TOT (синие маркеры) и ширины œ пика (зеленые маркеры) от напряжения смещения для детектора J03-W0247. Линии через

экспериментальные точки проведены для лучшей визуализации.....90

4.20 Энергетическое разрешение GaAs:Cr-Timepix детекторов c толщиной сенсоров 300 мкм, 500 мкм и 1000 мкм, измеренное по однопиксельным кластерам для диапазона энергий 16-57 кэВ......91

4.21 Спектры РХИ индия, измеренные в режиме счета фотонов GaAs:Cr-Timepix детекторами с толщиной сенсоров 300 мкм, 500

мкм и 1000 мкм................................93

4.22 Спектры РХИ индия, измеренные в режиме счета фотонов детектором D08-W0153 при различных значениях напряжения смещения...................................94

4.23 Процентное соотношение кластеров разного размера в зависимости

от напряжения смещения...........................95

4.24 Зависимости положения фотопика индия (синие маркеры) и площади под фотопиком индия (зеленые маркеры) от напряжения смещения, измеренные в режиме счета фотонов детектором D08-W0153......95

4.25 Обратная ветвь вольт-амперной характеристики детектора D08-W0153, измеренная при температуре 20 0C..............96

4.26 Частотно-контрастная характеристика для GaAs:Cr-Timepix детектора с толщиной сенсора 300 мкм и для двух значений энергетического порога: 7 кэВ и 12 кэВ...................97

4.27 Частотно-контрастная характеристика для GaAs:Cr-Timepix детекторов с толщиной сенсора 500 мкм и 1000 мкм...........98

4.28 (а) Рентгеновское изображение тест-объекта с нанесенными линиями фиксированной пространственной частоты. (б) Профили изображения на рисунке (а) поперек тестовых линий на уровне 8 пар линий/мм, полученные при двух энергетических порогах детектора:

7 кэВ и 12 кэВ.................................99

5.1 Фотография экспериментальной установки на источнике

синхротронного излучения ВЭПП-3М, на которой проводилось сканирование микропучком гамма-квантов нескольких пикселей детектора....................................102

5.2 Схематическое изображение сканирования нескольких пикселей детектора микропучком гамма-квантов...................102

5.3 Зависимость счета в соседних пикселях от положения сколлимированного пучка фотонов (синие и красные маркеры). Нормировка выполнена на значение счета в пикселе, когда пучок попадает в его центр. Зелеными маркерами показаны результаты Монте-Карло моделирования. Фиолетовыми маркерами показана сумма отсчетов в соседних пикселях. Линии через

экспериментальные точки проведены для лучшей визуализации.....104

5.4 Энергетический отклик одного пикселя при использовании микроколлиматора (зеленые маркеры) и усредненный по всем пикселям отклик (синие маркеры) для гамма-квантов с энергией 18 кэВ. 106

5.5 Зарегистрированная пикселем энергия (нормированная на максимум) гамма-квантов в зависимости от положения сколлимированного пучка относительно центра пикселя. Результаты экспериментальных измерений показаны синим цветом. Зеленым цветом показаны результаты моделирования. Линии через экспериментальные точки проведены для лучшей визуализации....................107

5.6 Карты среднего счета в пикселях детектора J03-W0247, полученные в режиме счета одиночных фотонов при Ткгат = 5 для различных значений потока гамма-квантов: (а) 9 • 108 ф/мм2/с, (б) 2.5 • 108

ф/мм2/с, (в) 0.18 • 108 ф/мм2/с........................108

5.7 Карты среднего счета в пикселях детектора J03-W0247, полученные в режиме счета одиночных фотонов для различных значений !кгат ЦАП при потоке гамма-квантов 9 • 108 ф/мм2/с: (а) !кгат = 5, (б) !кгат

= 7, (в) ¡кгит =10...............................109

5.8 Средний счет в пикселях детектора L05-W0225 при засветке рентгеновской трубкой с потоком фотонов более 7 • 104 ф/пиксель/с. Черные области соответствуют единичному счету в пикселях (а). Число пикселей, считающих 1, связанных с выключенными пикселями (пунктирные линии), и несвязанных с ними (сплошные линии) в зависимости от тока рентгеновской трубки (б)..........110

Список таблиц

1 Основные характеристики микросхем считывания семейства Medipix. . 28

2 Основные характеристики 4 поколения микросхем Medipix.......29

3 Список GaAs:Cr-Timepix детекторов, используемых в работе.......40

4 Изменение ц,птп по толщине сенсора....................48

5 Оптимальные значения ЦАПов GaAs:Cr-Timepix детекторов, работающих в Time-over-Threshold режиме и в счетном режиме.....74

6 Энергетическое разрешение GaAs:Cr-Timepix детектора J03-W0247 с толщиной сенсора 1 мм после обобщенной и попиксельной калибровки. 91