Medipix
Medipix är en familj av pixeldetektorer för fotonräkning och partikelspårning utvecklad av ett internationellt samarbete, värd av CERN .
Design
Dessa är hybriddetektorer eftersom ett halvledarsensorskikt är bundet till ett bearbetningselektronikskikt.
Sensorskiktet är en halvledare, såsom kisel , GaAs eller CdTe där den infallande strålningen bildar ett elektronhål/moln. Laddningen samlas sedan till pixelelektroder och leds via bump-bindningar till CMOS- elektronikskiktet.
Pixelelektroniken förstärker först signalen och jämför sedan signalamplituden med en förinställd diskrimineringsnivå (en energitröskel). Den efterföljande signalbehandlingen beror på typen av enhet. En standard Medipix-detektor ökar räknaren i lämplig pixel om signalen är över diskrimineringsnivån. Medipix-anordningen innehåller också en övre diskrimineringsnivå och därför kan endast signaler inom ett amplitudområde accepteras (inom ett energifönster).
Timepix-enheter erbjuder ytterligare två driftlägen utöver räkningen. Den första är så kallad "Time-over-Threshold"-läge ( analog-till-digital-omvandlare av Wilkinson-typ) . Det är ett läge där räknaren i varje pixel registrerar antalet klockor för vilka pulsen förblir över diskrimineringsnivån. Detta nummer är proportionellt mot energin hos detekterad strålning. Detta läge är användbart för partikelspårningstillämpningar eller för direkt spektral avbildning.
Det andra läget för Timepix-chippet är "Time-of-arrival", där pixelräknare spelar in tid mellan en trigger och detektering av strålningskvanta med energi över diskrimineringsnivån. Detta driftsätt kan användas i Time of flight (TOF) applikationer, till exempel vid neutronavbildning.
Varje enskild strålningsträff bearbetas av elektroniken som är integrerad i varje pixel på detta sätt, därför kan enheten betraktas som 65 536 individuella räknedetektorer eller till och med spektrometrar. Energidiskriminatorerna är justerbara. Genom att skanna med deras nivå är det därför möjligt att mäta över frekvensbanden för den inkommande strålningen; vilket möjliggör spektroskopisk röntgenavbildning.
Medipix-2, Timepix och Medipix-3 är alla 256×256 pixlar, var och en 0,055 mm (55 μm) kvadrat, och bildar en total yta på 14,08 mm × 14,08 mm. Detektorer med större yta kan skapas genom att bump-bonda flera chips till större monolitiska sensorer. Detektorer med storlekar från 2x2 till 2x4 chips används vanligtvis. Ännu större, gapfria ytor kan skapas med hjälp av den kantlösa sensorteknologin. Medipix/Timepix-chips har var sin sensor. Dessa sammansättningar är sida vid sida med varandra för att skapa nästan godtyckliga detektormatriser (den största konstruktionen som använder den här tekniken har 10x10 chips, därav 14x14 cm och 2560x2560 pixlar).
Standard, enkelchips Medipix-bärarkort med USB-avläsning.
Quad-kortet: fyra Medipix2-chips med ett gemensamt sensorchip för att få en större yta med begränsat dödutrymme.
Excalibur frontände. Var och en av de tre sensorerna har 16 chips flip chip bonded.
WidePix 10x10 med upplösning på 2560x2560 pixlar (6,5 Mpixel) och kontinuerligt känsligt område.
Jämförelse med befintlig teknik
Fotonräknande pixeldetektorer representerar nästa generation av strålningsavbildningsdetektorer. Fotonräkningstekniken övervinner begränsningarna hos nuvarande bildåtergivningsenheter. Jämförelse av fotonräkning med befintlig teknik finns i följande tabell:
| Filmemulsioner | Ladda integrerade enheter | Fotonräknande pixeldetektorer | |
|---|---|---|---|
| Funktionsprincip | Förändring av kemiska eller fysikaliska egenskaper efter interaktion med strålning. Behöver specialbehandling (framkallningsprocess, skanning, …). | Joniserande strålning skapar ljus och därefter en elektrisk laddning som samlas och integreras i pixlar ( CCD , CMOS-sensorer , platta paneler , …). | Joniserande strålning skapar laddning direkt i sensorn. Avgiften jämförs med tröskel och räknas digitalt i pixlar. |
| Fördelar | Mycket hög upplösning, lågt brus, billigt. | Hög rumslig upplösning. Lågt pris. | Bra rumslig upplösning, hög avläsningshastighet, inget brus, ingen mörkström, obegränsad dynamisk skala, energidiskriminering |
| Nackdelar | Icke-linjär respons, begränsad dynamisk skala, behöver bearbetning | Mörkström, brus, begränsad dynamisk skala | Högt pris. |
Versioner
Medipix-1 var den första enheten i Medipix-familjen. Den hade 64x64 pixlar med 170 µm pitch. Pixlar innehöll en komparator (tröskel) med 3-bitars per-pixel offsetjustering. Minsta tröskel var ~5,5 keV. Räknardjupet var 15-bitars. Den maximala räknehastigheten per pixel var 2 MHz per pixel.
Medipix-2 är efterföljaren till Medipix-1. Pixeldelningen reducerades till 55 µm och pixelmatrisen är på 256x256 pixlar. Varje pixel har två diskrimineringsnivåer (övre och undre tröskel) som var och en kan justeras individuellt i pixlar med en 3-bitars offset. Den maximala räknehastigheten är cirka 100 kHz per pixel (dock i pixlar med 9x mindre yta jämfört med Medipix-1).
Medipix-2 MXR är en förbättrad version av Medipix-2-enheten med bättre temperaturstabilitet, översvämningsskydd för pixlar, ökad strålningshårdhet och många andra förbättringar.
Timepix är enhet som konceptuellt kommer från Medipix-2. Den lägger till ytterligare två lägen till pixlarna, förutom räkning av detekterade signaler: Time-over-Threshold (TOT) och Time-of-Arrival (TOA). Den detekterade pulshöjden registreras i pixelräknaren i TOT-läget. TOA-läget mäter tiden mellan triggning och ankomst av strålningen till varje pixel.
Medipix-3 är den senaste generationen av fotonräknare för röntgenbilder. Pixelbredden förblir densamma (55 µm) liksom pixeluppsättningens storlek (256x256). Den har bättre energiupplösning genom realtidskorrigering av laddningsdelning. Den har också flera räknare per pixel som kan användas i flera olika lägen. Detta möjliggör kontinuerlig avläsning och upp till åtta energitrösklar.
Timepix-3 är en efterföljare till Timepix-chippet. En av de största utmärkande förändringarna är inställningen till dataavläsningen. Alla tidigare chips använde den rambaserade avläsningen, dvs hela pixelmatrisen lästes ut på en gång. Timepix-3 har händelsebaserad utläsning där värden inspelade i pixlar läses ut direkt efter träffen tillsammans med koordinater för träffpixeln. Chipet genererar därför en kontinuerlig ström av data snarare än en sekvens av ramar. Nästa stora skillnad jämfört med det tidigare Timepix-chippet är möjligheten att mäta träffamplituden samtidigt med ankomsttiden. Andra parametrar som energi och timingupplösning förbättrades också jämfört med det ursprungliga Timepix-chippet.
Timepix-4 är efterföljaren till Timepix-3-chippet. Den har generellt starkare specifikationer, till exempel är upplösningen vid ankomst 195 ps, 8 gånger snabbare än Timepix-3, den har också en större pixelmatris på 512x448 pixlar och kan hantera 8 gånger högre datahastigheter.
Avläsningselektronik
De digitala data som registreras av Medipix/Timepix-enheter överförs till en dator via avläsningselektronik. Avläsningselektroniken ansvarar också för inställning och kontroll av detektorparametrarna. Flera avläsningssystem utvecklades inom Medipix-samarbetet
Muros
Muros var ett av de första avläsningssystemen för Medipix-detektorer. Muros utvecklades vid Nikhef , Amsterdam , Nederländerna . Det var relativt kompakt avläsning som gav tillgång till alla funktioner i detektorn. Det tillät en maximal bildhastighet på ca 30 bilder/s med ett enda chip.
USB-gränssnitt
Denna elektronik utvecklades vid IEAP- CTU , Tjeckien . Det ger en lägre bildhastighet jämfört med Muros, men elektroniken var integrerad i en låda som inte var större än ett paket cigaretter. Dessutom behövdes inget speciellt PC-hårdvarukort som det var i fallet med Muros. Därför USB- gränssnittet snabbt den mest använda avläsningen inom Medipix-samarbetet och dess partners.
Relaxd
Relaxd är en avläsningselektronik utvecklad på Nikhef . Data överförs till PC via 1Gbit/s Ethernet-anslutning. Den maximala bildhastigheten är på nivån 100 bildrutor/s.
Fitpix
Fitpix är nästa generation av USB- gränssnittet som utvecklats av gruppen i Prag. Elektroniken implementerar den parallella Medipix/Timepix-avläsningen och därför når den maximala bildhastigheten 850 bildrutor/s. Den stöder även seriell avläsning med bildhastighet på 100 bilder/s.
Minipix
Minipix är en miniatyriserad integrerad chip+avläsningselektronikenhet utvecklad av ADVACAM sro i Prag. Hela systemet har storleken på ett USB-minne . Flera av dessa enheter användes i den internationella rymdstationen som strålövervakningssystem.
Spidr3
Spidr3 är kraftfull avläsningselektronik för TimePix3- och MediPix3-kretsen. Avläsningshastigheten för MediPix3 är cirka 12500 bilder per sekund och för TimePix3 på 120 miljoner träffar per sekund. Data överförs via en kraftfull 10 GB optisk fiberanslutning. Chip- och avläsningssystemet är utvecklat tillsammans med Nikhef och Amsterdam Scientific Instruments.
Excalibur och Merlin system
Båda systemen är utvecklade hos Diamond Light Source, Storbritannien, för Medipix3-avläsning och applikationer vid synkrotroner. Merlin finns med CdTe-sensorer från Quantum Detectors som samarbetar om vidareutveckling med Diamond Light Source.
LAMBDA system
Lambda är ett höghastighets (2 000 fps) stort område (12 chips) avläsningssystem utvecklat på DESY . Lambda finns med hög Z-sensoralternativ, såsom GaAs (Gallium-Arsenide) och CdTe (Cadmium-Telluride).
MARS
MARS är en gigabit Ethernet-avläsning som rymmer upp till 6 Medipix 2- eller Medipix 3-detektorer. Elektroniken utvecklades vid University of Otago , Christchurch , Nya Zeeland .
Ansökningar
Röntgenbild
Röntgenbild är det primära användningsområdet för Medipix-detektorer. Medipix erbjuder särskilt röntgenområdet en fördel i högre dynamiskt omfång och energikänslighet. Exempel på röntgenbilder från utvalda applikationsområden för röntgenbild är:
Biologi : Tropisk kackerlacka.
Biologi : Malbagge.
Icke-förstörande provning : Metalliskt kompositprov.
Icke-förstörande provning : Kompositprov av papperskärna.
Rymdstrålningsdosimetri
Timepix-baserade detektorer från Medipix2 Collaboration har flugits på den internationella rymdstationen sedan 2013, och på det första flygtestet (EFT-1) av NASA:s nya Orion Multi-Purpose Crew Vehicle i december 2014. De nuvarande planerna kräver liknande enheter för att flygas som det primära strålningsområdet övervakar de framtida initiala bemannade Orion-uppdragen.
Övrig
Detektorerna kan också hitta tillämpningar inom astronomi , högenergifysik , medicinsk bildbehandling och röntgenspektroskopi .
Historia
- Medipix-1: Tidigt 90-tal.
- Medipix-2: Sent 90-tal.
- Medipix-3: Samarbete bildades 2006.
- Medipix-4: Samarbete bildades 2016.
Se även
- ^ Rosenfeld, Anatoly; Silari, Marco; Campbell, Michael (2020). "Redaktionen" . Strålningsmätningar . 139 : 106483. Bibcode : 2020RadM..139j6483R . doi : 10.1016/j.radmeas.2020.106483 . ISSN 1350-4487 .
- ^ Timepix stort område 6,5 MPix kamera
- ^ Timepix4, ett pixeldetektoravläsningschip med stor yta som kan läggas ihop på fyra sidor och ger under 200 ps tidsstämpel binning
- ^ "ADVACAM-kameror" .
- ^ X-ray.camera