Rys. 1.20. Model elektryczny detektora promieniowania X wykorzystywany w symulacjach.
Pojemność CDET jest sumą wszystkich pojemności dochodzących do węzła wejściowego
i wynosi ona kilka pikofaradów. Wzrost tej pojemności powoduje pogorszenie stosunku sy-gnału do szumu.
Jako, że ładunek wejściowy jest całkowany, kształt impulsu wejściowego nie musi do-kładnie odwzorowywać faktycznego kształtu impulsu z detektora promieniowania X. Dla-tego też, źródło prądowe Idet generuje krótkie impulsy o kształcie trapezoidalnym (czas trwania 11 ns) a ładunek wstrzykiwany do układu odczytowego zależy od amplitudy tych impulsów.
Źródło Idleak generuje stałą wartość prąd upływu detektora (w przypadku detektora
DC), natomiast rezystancja RL modeluje szum prądowy detektora. Rezystancja ta jest
podłączona do wejścia układu odczytowego poprzez szeregowy kondensator o dużej war-tości (1 µF), aby nie wpływała na poziom napięcia wejściowego.
1.5 Dobór materiału detektora promieniowania X
Najpopularniejszymi materiałami wykorzystywanymi do produkcji detektorów pro-mieniowania X są krzem (Si) i german (Ge). Detektory z tych materiałów charakteryzują się bardzo dobrą rozdzielczością energetyczną a dzięki opanowanej technologii wytwarza-nia, istnieje możliwość otrzymywania elementów o znacznej powierzchni, charakteryzują-cych się jednorodnością parametrów. Od wielu lat prowadzone są badania nad detekto-rami, które będą przeznaczone dla wyższych energii promieniowania X (powyżej 20 keV),
dla których detektory krzemowe i germanowe, ze względu na swoją długość absorpcji, nie działają już tak dobrze. Badania te zaowocowały zastosowaniem detektorów z mate-riałów takich jak: arsenek galu (GaAs), tellurek kadmu (CdTe) oraz jodek rtęci (HgI2). Korzystając z przekroju czynnego poszczególnych detektorów (rys. 1.3 - rys. 1.5, [2]), można obliczyć efektywność absorpcji dla detektora o zadanej grubości. Efektywność ab-sorpcji definiowana jest, jako stosunek ilości fotonów zaabsorbowanych w detektorze do ilości fotonów docierających do detektora.
Biorąc pod uwagę parametry detektora jak: gęstość materiału (ρ), grubość detektora (d) oraz przekrój czynny (τ ), efektywność absorpcji można obliczyć ze wzoru:
η = 1 − exp(−τ · ρ · d) (1.12)
Efektywność absorpcji dla detektora o grubości 1 mm, wykonanego z wyżej wymie-nionych materiałów, została przedstawiona na rysunku 1.21.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Grubo = 1mm Materia Si Ge GaAs CdTe HgI 2 E f e kt yw n o a b so r p cj i
Energia fotonów [keV]
Rys. 1.21. Efektywność absorpcji dla różnych materiałów.
Można z tego wnioskować, że detektory krzemowe nadają się dobrze do zastosowań przy niskich energiach promieniowania X. Aby było możliwe użycie detektorów krzemo-wych do zastosowań z większymi energiami, detektor musiałby mieć znaczną grubość. Stosowanie detektora krzemowego o znacznej grubości niesie za sobą jednak niepożądane efekty, jak np.:
• dłuższy czas zbierania nośników, • efekty podziału ładunku.
Pozornie lepsze wydaje się być zastosowanie detektorów germanowych, ponieważ posia-dają mniejszą długość absorpcji. Jednak niska wartość przerwy energetycznej w germanie powoduje, że w temperaturze pokojowej prądy upływu detektora i wiążący się z nimi szum są znaczące. Po schłodzeniu detektora do temperatur kriogenicznych (zazwyczaj T = 77 K) problem znika, jednak takie rozwiązanie komplikuje budowę całego systemu detektorowego.
Tellurek kadmu (CdTe) jest materiałem o wysokiej liczbie atomowej, co przekłada się na wysoką skuteczność absorpcji promieniowania X detektorów wykonanych z tego mate-riału. Stosunkowo duża wartość przerwy energetycznej CdTe (1.44 eV) pozwala na wyko-rzystanie detektora w temperaturze pokojowej, co wraz z małą wartością prądu upływu prowadzi do bardzo dobrej rozdzielczości energetycznej [24]. Jednakże mała ruchliwość nośników µe = 1500 cm2
/V·s, µh = 100 cm2
/V·s (w szczególności dziur, tab. 1.2) wraz z niedoskonałościami materiału (nieregularności w strukturze krystalicznej oraz obecność domieszek) powodują ’uwięzienie dziur’, a co za tym idzie utratę ładunku i spadek wy-dajności zbierania ładunku [3]. Sposobem na zwiększenie efektywności zbierania ładunku jest zwiększenie napięcia polaryzacji detektora. W standardowym detektorze CdTe z kon-taktami ’ohmowymi’ pociąga to za sobą jednak zwiększenie prądu upływu [25].
W latach 90-tych XX wieku zaczęto stosować detektory CdZnTe [6], które dzięki zasto-sowaniu cynku mają powiększoną przerwę energetyczną (1.6 eV) oraz większą rezystyw-ność, dzięki czemu prąd upływu detektora jest mniejszy niż w przypadku CdTe. Detektory CdZnTe mają lepszą rozdzielczość energetyczną niż CdTe, jednakże czas zbierania dziur jest znacznie większy, a co za tym idzie, efektywność zbierania ładunku jest mniejsza.
Jeszcze lepsze rezultaty zaczęto otrzymywać z detektorami Schottkiego CdTe [26]. Po-przez zastosowanie elektrod z indu jako anody oraz platyny, jako katody, detektor staje się diodą z barierą Schottkiego na połączeniu indu i CdTe. W ten sposób wykonany de-tektor charakteryzuje się dużo mniejszą wartością prądu upływu, dlatego też może być używany z wyższym napięciem polaryzacji dla zapewnienia wyższej wydajności zbierania ładunku. Wadą detektorów CdTe z kontaktami Schottkiego jest zjawisko polaryzacji, które powoduje degradację sygnału w czasie [27]. Efekt polaryzacji może być zminimalizowany poprzez chłodzenie detektora poniżej 0◦C, jednak z praktycznego punktu widzenia jest
kosztowne i kłopotliwe. Inną metodą eliminacji efektu polaryzacji w detektorach Schott-kiego CdTe jest cykliczne zerowanie napięcia polaryzacji detektora [28].
Kolejnym materiałem stosowanym w budowie detektorów promieniowania X jest arse-nek galu (GaAs). Jego przewagą nad tellurkiem kadmu jest dobrze dopracowana technolo-gia wytwarzania umożliwiającej otrzymywanie kryształów o znacznej wielkości (6 cali) [29]. W porównaniu do detektora krzemowego, detektory z arsenku galu mają większą efek-tywność absorpcji co sprawia, że są bardziej odpowiednie dla wyższych energii promie-niowania. Wadą detektorów GaAs jest obecność efektu balistycznego, który spowodowany jest pułapkowaniem nośników ładunku. Również ze względu na dość znaczną koncentrację domieszek (1015
cm−3) czas życia ładunku w detektorach GaAs jest bardzo krótki i wynosi około 10 ns.
Jak już wspomniano przedział energii promieniowania X rozpatrywany w niniejszej pracy to 5 - 100 keV. Biorąc pod uwagę wady i zalety wymienionych detektorów, Autor postanowił przeprowadzić badania na najbardziej obiecującej klasie detektorów o wyso-kiej liczbie atomowej Z, a mianowicie detektorach CdTe o różnej geometrii, pracujących zarówno w trybie zbierania dziur i elektronów. Autor przeprowadził również badania z detektorami krzemowymi, których wyniki mogą być wykorzystane do porównania z wy-nikami otrzymanymi z detektorów CdTe przy niskich wartościach energii promieniowania X. Opis i wyniki przeprowadzonych badań przedstawione zostaną w rozdziale czwartym i piątym.
Rozdział 2
Przegląd istniejących rozwiązań
elektroniki odczytowej dla detektorów
promieniowania X
2.1 Wstęp
Pośród wielu rozwiązań elektroniki odczytowej dla detektorów promieniowania X więk-szość z nich posiada podobną blokową strukturę kanału pomiarowego. Schemat ogólny toru odczytowego przedstawiony jest na rysunku 2.1 [30].
CFED Układ Kształtujący Dyskryminator Przetwornik A/C Blok resetujący -KV 1 bit n - bitów Wejście (detektor)
Rys. 2.1. Schemat typowego toru przetwarzania sygnału w układach elektroniki odczytu detektorów promieniowania X.
Prąd wygenerowany na elektrodach detektora wpływa do elektroniki odczytu i jest całkowany przez wzmacniacz ładunkowy. Na wyjściu wzmacniacza pojawia się impuls schodkowy o amplitudzie proporcjonalnej do ładunku wygenerowanego w detektorze.
Sy-gnał ten jest następnie podawany na układ kształtujący, który ma za zadanie formowanie impulsu stosownie do wymagań czasowych oraz jego filtrację, poprawiając tym samym stosunek sygnału do szumu.
Dalsza architektura kanału zależy od przeznaczenia układu. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie dyskryminatora, który porównuje sygnał z układu kształtującego z zadaną referencją, wystawiając na swoim wyjściu, w zależności od relacji sygnałów, wartość logiczną 0 bądź 1. Rozwiązanie to stosowane jest w układach z odczytem binarnym [31, 32, 33]. Drugim rozwiązaniem jest zastosowanie układu mierzącego wartość amplitudy kolejnych impulsów nadchodzących z detektora. W tym celu stosuje się układy próbkująco-pamiętające wraz z przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Jeżeli projektowany układ ma być przeznaczony do pracy z detektorami sprzężonymi stałoprądowo, dodatkowym wy-mogiem jest, aby tor elektroniki odczytu mógł pracować poprawnie z wpływającym lub wypływającym prądem upływu detektora.
Schemat przedstawiony na rysunku 2.1 jest często stosowany w budowie specyfiko-wanych układów scalonych do odczytu detektorów promieniowania X, które zazwyczaj są układami wielokanałowymi, posiadającymi przeważnie 16, 32, 64 lub 128 kanałów. Podsta-wowymi parametrami, jakimi powinien charakteryzować się układ scalony przeznaczony do odczytu detektorów promieniowania X są:
• niskie szumy własne, • niski pobór mocy,
• możliwość pracy z dużą częstością impulsów wejściowych,
• wysoka jednorodność parametrów analogowych pomiędzy poszczególnymi kanałami, • niewielka zajmowana powierzchnia,
• możliwość pracy z prądem upływu detektora (w przypadku detektorów sprzężonych stałoprądowo z elektroniką odczytu).
Spełnienie wszystkich tych wymagań jednocześnie jest zadaniem trudnym, bowiem na etapie projektowania przedstawione wymagania nakładają na siebie wzajemne ogranicze-nia. Przykładowo, jednorodność parametrów pomiędzy kanałami (np. niewielki rozrzut po-ziomów stałych na wejściu dyskryminatorów, wzmocnień, etc.) można uzyskać, zwiększa-jąc rozmiary elementów, co kłóci się z założonym obostrzeniem, dotyczącym minimalizacji
powierzchni. Z kolei niski poziom szumów można uzyskać poprzez zwiększenie pobiera-nego prądu (przez tranzystor wejściowy), co stoi w opozycji do wymagań niskiego poboru mocy. Prąd upływu poszczególnych pasków detektora DC może się różnić oraz zmieniać wraz z naświetleniem, co może powodować przesuwanie poziomów stałych w elektronice odczytu i niekorzystnie wpływać na jednorodność parametrów analogowych poszczegól-nych kanałów. Projekt układu scalonego, przeznaczonego do obrazowania cyfrowego z wy-korzystaniem promieniowania X, jest więc swego rodzaju kompromisem pomiędzy tymi parametrami.
W niniejszym rozdziale przedstawiony zostanie przegląd literaturowy istniejących roz-wiązań układów odczytowych, które były testowane z detektorami o wysokiej liczbie ato-mowej Z. Układy zostały zaprojektowane w wiodących światowych ośrodkach badawczych, zajmujących się układami elektroniki odczytu dla detektorów półprzewodnikowych. Treść rozdziału jest podzielona na dwie części, dotyczące układów dedykowanych dla detektorów paskowych oraz pikselowych.