Index of /rozprawy2/10354

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Metrologii. Rozprawa Doktorska. Scalone układy elektroniki odczytu dla matryc detektorów półprzewodnikowych o dużej liczbie atomowej Z. mgr inż. Maciej Kachel. Promotor: dr hab. inż. Paweł Gryboś, prof. AGH. Kraków, 2011.

(2)

(3) Podziękowania Autor składa szczególne podziękowania swojemu promotorowi dr hab. Pawłowi Grybosiowi za nieocenioną pomoc w realizacji niniejszej pracy oraz cenne uwagi, które pozwoliły uniknąć wielu niedociągnięć i błędów..

(4)

(5) Spis treści Cele i tezy pracy. 1. 1 Detektory promieniowania X. 4. 1.1. 1.2. 1.3. Oddziaływanie promieniowania X z materią . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.1.1. Opis zjawisk fizycznych i przekroje czynne . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.1.2. Długość absorpcji dla różnych materiałów . . . . . . . . . . . . . .. 7. Mechanizm generacji ładunku w detektorze . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.2.1. Średnia energia potrzebna do generacji pary elektron-dziura . . . .. 8. 1.2.2. Współczynnik Fano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.2.3. Przebieg czasowy impulsu w detektorze - Twierdzenie Ramo . . . . 10. Detektory pozycyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. 1.3.2. Detektory paskowe jednostronne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. 1.3.3. Detektory paskowe dwustronne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. 1.3.4. Detektory mozaikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. 1.3.5. Detektory dryfowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16. 1.3.6. Detektory typu integrującego (CCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . 16. 1.3.7. Monolityczne aktywne piksele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. 1.4. Model elektryczny detektora paskowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19. 1.5. Dobór materiału detektora promieniowania X . . . . . . . . . . . . . . . . 21. 2 Przegląd istniejących rozwiązań elektroniki odczytowej dla detektorów promieniowania X. 25. 2.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. 2.2. Układy odczytowe dla detektorów paskowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 i.

(6) 2.3. 2.2.1. Układy projektowane przez BNL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27. 2.2.2. Układ KW03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. 2.2.3. Układ RENA 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. 2.2.4. Układ DEDIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. 2.2.5. Układ CERN-DxCTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. Układy odczytowe dla detektorów mozaikowych . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.1. Układ Medipix 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. 2.3.2. Układ H04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36. 2.3.3. Układ XPAD 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. 3 Wielokanałowy układ scalony w technologii submikronowej dla potrzeb detektorów o wysokiej liczbie atomowej Z 3.1. 38. Architektura układu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.1. Wzmacniacz ładunkowy i układ równoważenia par biegun-zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. 3.1.2. Analiza szumów wzmacniacza ładunkowego z uwzględnieniem prądu upływu detektora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45. 3.1.3. Wzmacniacz ładunkowy i układ PZC dostosowane do pracy z detektorami typu AC i DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. 3.1.4. Układ kształtujący i układ przywracania poziomu zerowego . . . . . 71. 3.1.5. Dyskryminator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78. 4 Pomiary układu SXDR64 z detektorami promieniowania X. 79. 4.1. Pomiary testowe SXDR64 bez detektora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79. 4.2. Opis stanowiska do pomiarów z promieniowaniem X . . . . . . . . . . . . . 83. 4.3. Pomiary referencyjne z detektorem krzemowym. . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.1. Detektor krzemowy typu AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85. 4.3.2. Detektor krzemowy typu DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90. 4.4. Pomiary z detektorem CdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91. 4.5. Podsumowanie wyników pomiarowych układu SXDR64 . . . . . . . . . . . 99. 5 Układ SXDv2. 101. 5.1. Architektura układu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101. 5.2. Pomiary z detektorem krzemowym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 ii.

(7) 5.3. 5.4. Pomiary z detektorem CdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3.1. Detektor CdTe, pracujący w trybie zbierania dziur. . . . . . . . . . 109. 5.3.2. Detektor CdTe pracujący w trybie zliczania elektronów . . . . . . . 113. Podsumowanie pomiarów układu SXDv2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117. 6 Podsumowanie i wnioski. 119. iii.

(8)

(9) Cele i tezy pracy Obrazowanie z wykorzystaniem promieniowania X stosowane jest od lat w wielu obszarach medycyny, nauki i przemysłu. Głównymi zastosowaniami są rentgenografia oraz radiografia przemysłowa. Do dziś dnia najbardziej powszechną metodą obrazowania jest zastosowanie kliszy fotograficznej. Jednak, dzięki rozwojowi technologii, jest ona coraz częściej wypierana przez wyspecjalizowane systemy obrazowania, wyposażone w detektory półprzewodnikowe. Wśród półprzewodnikowych detektorów promieniowania X, najbardziej popularnymi są detektory krzemowe, które z powodzeniem stosowane są w niskoenergetycznym obrazowaniu przemysłowym (np. w dyfraktometrii). Wadą detektorów krzemowych jest jednak niewielki współczynnik absorpcji, który ogranicza możliwości ich wykorzystania w zakresie promieniowania X o wyższej energii. W tym przypadku bardziej odpowiednia jest nowa generacja detektorów półprzewodnikowych o dużej liczbie atomowej Z. Jednym z najbardziej obiecujących materiałów do budowy tego typu detektorów jest tellurek kadmu (CdTe). Zastosowanie detektorów wykonanych z CdTe wymaga jednak adaptacji toru elektroniki odczytu, przede wszystkim ze względu na prąd upływu detektora, który jest niepożądanym składnikiem sygnału odczytywanego z detektora. Celem niniejszej pracy jest budowa wielokanałowego scalonego układu odczytowego dla matryc detektorów półprzewodnikowych o dużej liczbie atomowej Z, pracującego w trybie zliczania pojedynczych fotonów, który będzie charakteryzował się: • możliwością pracy zarówno z detektorami sprzężonymi stałoprądowo, jak i zmiennoprądowo,. • niskim poziomem szumów, • możliwością pracy z dużą częstością impulsów wejściowych. 1.

(10) Rozdział pierwszy niniejszej pracy opisuje podstawy fizyczne oddziaływania promieniowania X z materią. Zawiera także przegląd rodzajów detektorów pozycyjnych oraz opis modelu elektrycznego detektora promieniowania X. W rozdziale dokonana jest również analiza doboru materiału, z jakiego może być wykonany detektor przeznaczony do obrazowania. Budową układów scalonych, przeznaczonych dla potrzeb obrazowania cyfrowego, zajmują się czołowe ośrodki badawcze na całym świecie. Wśród nich należy wymienić: Brookhaven National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, grupę naukowców z japońskiej organizacji JAXA oraz Uniwersytetu Tokijskiego, CERN w Szwajcarii, AGH w Krakowie i wiele innych. Opis wybranych układów scalonych, pracujących w trybie zliczania pojedynczych fotonów, jakie wykonano w tych i innych ośrodkach, zaprezentowano w rozdziale drugim. Rozdział trzeci zawiera opis projektowanego układu wraz ze szczegółową analizą poszczególnych elementów toru elektroniki odczytu pod kątem poprawnej pracy z prądem upływu detektora. Pomiary testowe, wykonane z wyprodukowanym układem scalonym o nazwie SXDR64, przedstawiono w rozdziale czwartym. Zawarto w nim również wyniki pomiarów układu SXDR64 z detektorami promieniowania X, sprzężonymi zmiennoprądowo jak i stałoprądowo. Pomiary miały na celu wyznaczenie wartości wzmocnień i szumów w poszczególnych trybach pracy układu oraz maksymalnych częstości impulsów wejściowych, z jakimi układ jest w stanie pracować. Wnioski wyciągnięte z eksperymentów, jakie przeprowadzono z układem SXDR64 posłużyły do optymalizacji układu i stworzenia drugiej jego wersji - SXDv2. Opis zmian w architekturze toru elektroniki odczytu wraz z wynikami pomiarów, które przeprowadzono z detektorami promieniowania X, zawarte zostały w rozdziale piątym. Całość pracy kończy podsumowanie, zawierające zestawienie najlepszych wyników pomiarowych uzyskanych w testach przeprowadzonych na obu prezentowanych układach. Przedstawiono również kluczowe wnioski płynące z analizy pracy układów SXDR64 oraz SXDv2. Przeprowadzone przeze mnie badania zarówno w kraju jak i za granicą pozwoliły na sformułowanie następujących tez przedstawionej rozprawy doktorskiej: 1. Zastosowanie w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza ładunkowego oraz w układzie 2.

(11) równoważenia par biegun-zero tranzystorów MOS, pracujących w zakresie liniowym, pozwala na poprawną pracę układu zarówno z prądem upływu, jak i przy jego braku, pod warunkiem odpowiedniego podłączenia podłoża tych tranzystorów oraz doboru ich wymiarów i punktów pracy. 2. Zastosowanie programowalnego układu kształtującego pozwala na osiągnięcie niskiej wartości szumów ENC toru elektroniki odczytu zarówno przy pracy z detektorami sprzężonymi zmiennoprądowo, jak i stałoprądowo. 3. W scalonych wielokanałowych układach, przeznaczonych do odczytu detektorów półprzewodnikowych sprzężonych stałoprądowo, zastosowanie pracującej w każdym kanale cyfrowej korekcji pozwala zarówno na eliminację niepożądanych efektów generowanych przez prąd upływu detektora, jak i efektów mających swoje źródło w rozrzutach procesu technologicznego.. 3.

(12) Rozdział 1 Detektory promieniowania X W niniejszym rozdziale przedstawiono zagadnienia, dotyczące detektorów półprzewodnikowych wykorzystywanych w systemach detekcyjnych promieniowania X dla potrzeb obrazowania cyfrowego. Przytoczono tu podstawowe zjawiska fizyczne związane z oddziaływaniem promieniowania z materią oraz mechanizm generacji par elektron-dziura. Następnie przeprowadzono przegląd klas detektorów pozycyjnych oraz rodzajów segmentacji detektorów pracujących w trybie zliczania pojedynczych fotonów. Zaprezentowano również model elektryczny detektora paskowego i dokonano przeglądu materiałów, z jakich buduje się detektory promieniowania X. Dla potrzeb pomiarów dyfrakcyjnych, wykorzystywanych w badaniach materiałowych, stosowane jest promieniowanie X o energiach 5 keV (lampa z anodą z chromu) - 22 keV (lampa z anodą ze srebra), natomiast do obrazowania medycznego (mammografia, angiografia) stosuje się promieniowanie X o energiach z zakresu 28 - 100 keV [1]. Mając na uwadze powyższe zastosowania, założono, że zakres wykorzystywanych energii promieniowania X to 5 - 100 keV.. 1.1 1.1.1. Oddziaływanie promieniowania X z materią Opis zjawisk fizycznych i przekroje czynne. W wyniku oddziaływania promieniowania X z materią może dojść do zjawiska absorpcji fotoelektrycznej, kreacji par, rozpraszania Comptona lub rozpraszania koherentnego. W interesującym nas przedziale energii promieniowania X najbardziej znaczącymi zjawiskami jest absorpcja fotoelektryczna oraz rozpraszanie Comptona, dlatego też skoncen4.

(13) trowano się na tych dwóch zjawiskach.. Absorpcja fotoelektryczna W procesie absorpcji fotoelektrycznej, w wyniku zderzenia fotonu z elektronem znajdującym się na wewnętrznej powłoce atomowej (rys. 1.1) energia fotonu jest w całości przekazana elektronowi. Elektron, po przyjęciu energii fotonu, zostaje wybity poza atom posiadając energię:. Ek = hν − Ew. (1.1). gdzie: h - stała Plancka, ν = λ / c, λ - długość fali fotonu, c - prędkość światła w próżni, Ew - energia wiązania elektronu. hυ. Rys. 1.1. Absorpcja fotoelektryczna.. Aby doszło do zjawiska fotoelektrycznego, energia padającego fotonu musi być większa bądź równa energii wiązania elektronu.. Zjawisko Comptona (rozpraszanie Comptona) Foton, oddziałujący z elektronem z powłoki walencyjnej (rys. 1.2), przekazuje mu część swojej energii oraz pędu, dzięki czemu foton zmienia swój kierunek, a elektron zostaje wybity z powłoki atomowej, uzyskując energię kinetyczną. Dla detektorów krzemowych absorpcja fotoelektryczna dominuje w zakresie do 50 keV, powyżej tej wartości dominuje rozpraszanie Comptona (rys. 1.3 [2]). Dla materiałów o wyższej liczbie atomowej (CdTe, GaAs) w przyjętym zakresie energii dominuje natomiast absorpcja fotoelektryczna (rys. 1.4, rys. 1.5). 5.

(14) hυ. hυ’. 2. Makroskopowy przekrój czynny [cm /g]. Rys. 1.2. Rozpraszanie Comptona.. Si. 1000. Absorpcja fotoelektryczna Rozpraszanie Comptona 100. 10. 1. 0,1. 0,01 1. 10. 100. 1000. Energia [keV]. 2. Makroskopowy przekrój czynny [cm /g]. Rys. 1.3. Przekrój czynny w funkcji energii dla detektora Si [2].. CdTe. 1000. Absorpcja fotoelektryczna Rozpraszanie Comptona 100. 10. 1. 0,1. 0,01 1. 10. 100. 1000. Energia [keV]. Rys. 1.4. Przekrój czynny w funkcji energii dla detektora CdTe [2].. 6.

(15) 2. Makroskopowy przekrój czynny [cm /g]. GaAs Absorpcja fotoelektryczna. 1000. Rozpraszanie Comptona. 100. 10. 1. 0,1. 0,01 1. 10. 100. 1000. Energia [keV]. Rys. 1.5. Przekrój czynny w funkcji energii dla detektora GaAs [2].. 1.1.2. Długość absorpcji dla różnych materiałów. Aby dobrać grubość detektora do konkretnego przedziału energii, należy wiedzieć na jaką głębokość do detektora wnika wiązka promieniowania X. Głębokość ta dla poszczególnych materiałów jest związana z długością absorpcji. Długość absorpcji jest głębokością, na jaką wnika wiązka promieniowania, dla której intensywność promieniowania maleje e - krotnie. Rysunek 1.6 przedstawia długości absorpcji dla różnych materiałów półprzewodnikowych wykorzystywanych do budowy detektorów promieniowania X. 1. absorpcji [m]. 0,1. 0,01. 1E-3. Materia :. D ugo. Si Ge. 1E-4. GaAs CdTe. 1E-5. 1E-6 1. 10. 100. 1000. Energia [keV]. Rys. 1.6. Długość absorpcji dla detektorów Si, Ge, GaAs oraz CdTe. [2]. Można tu zauważyć, iż długość absorpcji rośnie wraz ze wzrostem energii promieniowania padającej na detektor wiązki. Wynika z tego, że dla większych energii promienio7.

(16) wania detektor powinien mieć większą grubość. Widoczne punkty nieciągłości krzywych długości absorpcji zwane krawędziami absorpcji, spowodowane są przekraczaniem energii wzbudzeń z kolejnych powłok elektronowych.. 1.2 1.2.1. Mechanizm generacji ładunku w detektorze Średnia energia potrzebna do generacji pary elektron-dziura. Kwant promieniowania, wpadając do detektora (rys. 1.7), deponuje w nim swoją energię poprzez generację par elektron-dziura. Dzięki obecności pola elektrycznego wytworzonego przez różnicę napięć na okładkach detektora, nośniki ładunku poruszają się w kierunku pola do odpowiednich elektrod. Ruch elektronów i dziur indukuje na elektrodach detektora prąd, który będzie występował, do momentu, gdy ładunek nie zostanie zebrany na okładkach detektora. hν. Paski odczytowe. Kierunek pola elektrycznego. Napięcie polaryzacji Rys. 1.7. Generacja pary elektron-dziura w detektorze promieniowania X.. Minimalna energia, jaką należy zdeponować w detektorze półprzewodnikowym w celu wytworzenia pary elektron-dziura wynosi [3]: Ei ≈ 2.8 · Eg + 0.6eV. (1.2). gdzie: Eg - przerwa energetyczna materiału w keV. Wynik odbiega od intuicyjnego przypuszczenia, że minimalna energia, jaką należy zdeponować w detektorze w celu generacji pary elektron-dziura jest równa wartości przerwy energetycznej. Dzieje się tak dlatego, że proces absorpcji musi być zgodny zarówno z zasadą zachowania energii, jak i z zasadą zachowania pędu. Znaczna część (70%) energii deponowanej w detektorze przez wiązkę promieniowania X, jest przekazywana na drgania sieci krystalicznej (wzbudzenia fononów), natomiast pozostała część energii zostaje 8.

(17) przeznaczona na wytworzenie par elektron-dziura. W tabeli 1.1 [3] przedstawione zostały wartości przerwy energetycznej oraz średniej minimalnej energii potrzebnej do wytworzenia par elektron-dziura w materiałach wykorzystywanych do produkcji detektorów promieniowania X.. Tab. 1.1. Wartości przerwy energetycznej oraz energii potrzebnej do wytworzenia pary elektron-dziura w materiałach wykorzystywanych do budowy detektorów promieniowania X [3].. 1.2.2. Materiał. Eg [eV]. Ei [eV]. Si. 1.12. 3.6. Ge. 0.67. 2.96. GaAs. 1.43. 4.2. CdTe. 1.44. 4.43. HgI2. 2.15. 4.2. Diament. 5.5. 13. Współczynnik Fano. Dla danej energii E0 wiązki promieniowania X padającej na detektor półprzewodnikowy, średnia ilość N wygenerowanych nośników ładunku (dziur/elektronów) wynosi:. N=. E0 Ei. (1.3). gdzie: E0 - energia padająca na detektor, Ei - minimalna energia potrzebna do utworzenia pary elektron-dziura. Odchylenie standardowe dla N dane jest zależnością [3]:. σ=. √ N ·F. (1.4). gdzie: F - współczynnik Fano. Współczynnik Fano [4] dla krzemu i germanu wynosi około 0.1 [3]. Dla materiałów o większej liczbie atomowej Z jest nieco większy: GaAs - 0.18 [5] a dla CdTe - 0.15 [6]. 9.

(18) Korzystając z (1.2) oraz z wyników obliczeń przedstawionych w pracy [3], można obliczyć rozdzielczość energetyczną detektora: p √ ∆EF W HM = 2.35 · Ei F · N = 2.35 · Ei F · Ei · E0. (1.5). Na rysunku 1.8 przedstawiona została teoretyczna rozdzielczość energetyczna detektorów Si, GaAs oraz CdTe w przedziale energii 1 keV - 150 keV. Można zauważyć, że najlepszą rozdzielczość posiada detektor krzemowy. Detektory CdTe i GaAs charakteryzują się rozdzielczością ok. 50% gorszą niż w wypadku krzemu. Jednak ze względu na długość absorpcji, krzem jest niepraktyczny dla zastosowań w obrazowaniu cyfrowym z energiami promieniowania X wyższymi niż 30 keV.. Rozdzielczo. [eV FWHM]. 1000. 800. Si GaAs CdTe. 600. 400. 200. 0. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. Energia [keV]. Rys. 1.8. Teoretyczna rozdzielczość energetyczna detektorów Si, GaAs oraz CdTe.. 1.2.3. Przebieg czasowy impulsu w detektorze - Twierdzenie Ramo. Ładunek zdeponowany w detektorze generuje prąd, który zbierany jest na okładkach detektora. Czasowy przebieg impulsu prądowego można opisać twierdzeniem RamoShockley’a [7, 8]. Ogólna zależność na prąd dana jest równaniem: ~ i(t) = ±q · E~w · v(t). (1.6). gdzie: q - ładunek wytworzony w procesie jonizacji, Ew - natężenie pola elektrycznego wytworzonego przez jednostkowe napięcie na detektorze w warunkach usunięcia ładunku q z objętości czynnej detektora [9], v(t) - prędkość nośników. 10.

(19) W niniejszej pracy przedstawiono najprostszy przypadek obliczenia prądów dla płaskiej komory jonizacyjnej (rys. 1.9). Dowód twierdzenia Ramo dla przypadku ogólnego można znaleźć w pracach [3, 9].. Ew q. d. Vdet x. Rys. 1.9. Płaska komora jonizacyjna.. W przypadku, gdy napięcie polaryzujące detektor (Vdet ) ma znacznie większą wartość niż napięcie zubożenia, natężenie pola można w każdym punkcie detektora przybliżyć do stałej wartości [9] Ew = 1/d. Wygenerowane w objętości detektora nośniki poruszają się w kierunku pola elektrycznego z prędkością v = ±µ·E , gdzie: µ - ruchliwość nośników ładunku (elektronów lub dziur). Korzystając z tych zależności można zapisać:. i(t) = ±q · µ. Vdet = const. d2. (1.7). Wzór (1.7) jest prawdziwy dla przedziału czasowego pomiędzy momentem generacji ładunku a całkowitym zebraniem ładunku na elektrodzie. Czas, po jakim ładunek zostanie zebrany, zależy od ruchliwości nośników oraz od odległości punktu generacji od elektrod. Dla rozpatrywanego przypadku czas zbierania ładunku można zapisać jako: d x =x· vel µel · Vdet. (1.8). d−x d = (d − x) · vh µh · Vdet. (1.9). Tel = dla elektronów, oraz:. Tel = dla dziur.. W materiałach półprzewodnikowych ruchliwość dziur jest kilkakrotnie mniejsza niż ruchliwość elektronów, dlatego czas zbierania dziur jest większy niż elektronów. Jest to 11.

(20) istotny parametr, który należy brać pod uwagę, projektując systemy odczytowe dla detektorów półprzewodnikowych. Zaprojektowanie elektronicznego systemu odczytowego o zbyt krótkim czasie kształtowania impulsu może prowadzić do utraty informacji o części zbieranego przez detektor ładunku (efekt balistyczny). Wartości ruchliwości nośników [5] oraz czasy zbierania nośników dla materiałów wykorzystywanych do budowy detektorów promieniowania X zestawiono w tabeli 1.2. Przyjmując, że detektor ma grubość 500 µm, napięcie na nim wynosi 100 V, dla obliczenia czasu zbierania założono, że nośniki zostały wygenerowane w połowie detektora (x = d/2).. Tab. 1.2. Ruchliwość nośników i przykładowe czasy zbierania ładunku dla materiałów wykorzystywanych do budowy detektorów promieniowania X.. Materiał. µel [cm2 · V−1 · s−1 ]. µh [cm2 · V−1 · s−1 ]. tel [s]. tdziur [s]. Si. 1500. 600. 8.3 n. 12.5 n. Ge. 3900. 1800. 3.2 n. 7n. GaAs. 8500. 420. 15 n. 30 n. CdTe. 1500. 100. 8.3 n. 125 n. Niewielka wartość ruchliwości dziur w przypadku CdTe i GaAs może stanowić problem przy budowie systemu odczytowego, który miałby pracować z dużą częstością impulsów dochodzących do detektora. Problem ten jest zazwyczaj rozwiązywany poprzez podanie dużej wartości napięcia polaryzującego detektor. Przy napięciu 1000 V czas zbierania dziur w GaAs spada do 3 ns, natomiast w CdTe do 12.5 ns.. 1.3 1.3.1. Detektory pozycyjne Wprowadzenie. Detektory promieniowania X stosowane w obrazowaniu cyfrowym powinny charakteryzować się dobrą rozdzielczością przestrzenną w celu dokładnego określenia pozycji padającej wiązki. Jako że istnieje wiele rozwiązań detektorów pozycyjnych, należy w tym miejscu wyróżnić najczęściej stosowane typy detektorów w obrazowaniu cyfrowym. Należą do nich: • detektory paskowe jednostronne, 12.

(21) • detektory paskowe dwustronne, • detektory mozaikowe (pikselowe), • detektory dryfowe, • detektory typu integrującego (ang. Charge Coupled Devices - CCD), • monolityczne aktywne detektory mozaikowe (pikselowe). Poniższy rozdział przedstawia budowę i właściwości wymienionych detektorów, natomiast rozprawa doktorska koncentruje się na wykorzystaniu detektorów paskowych jednostronnych pracujących w trybie zliczania pojedynczych fotonów. W wymienionych detektorach nośniki ładunku tworzone są bezpośrednio w procesie jonizacji. Ponadto istnieje grupa detektorów promieniowania X, w których ładunek produkowany jest w procesie pośrednim: promieniowanie X - światło - sygnał elektryczny. Takie detektory nazywa się scyntylacyjnymi. Ich szczegółowy opis można znaleźć w wielu pozycjach naukowych (np. [10, 11]).. 1.3.2. Detektory paskowe jednostronne. Rysunek 1.10 przedstawia przekrój detektora paskowego. Detektor taki wykonany jest z materiału półprzewodnikowego (typu n) z naniesionymi paskami o przeciwnym typie domieszkowania (typ p+). Paski wraz z podłożem formują diody typu p+ - n. Detektor może być dodatkowo otoczony pierścieniem ochronnym (ang. guard ring), który podłączany do najniższego potencjału (zazwyczaj masy) jest drogą dla prądu upływu, powstającego głównie na krawędzi detektora. Zastosowanie pierścienia ochronnego sprawia, że detektor staje się jednorodny.. pasek typu p +. pierścień ochronny podłoże typu n. Rys. 1.10. Detektor paskowy jednostronny.. 13.

(22) Jednym z ważniejszych parametrów, charakteryzujących detektory paskowe, jest odległość pomiędzy środkami kolejnych pasków (ang. strip pitch). Parametr ten przekłada się bezpośrednio na maksymalną rozdzielczość przestrzenną detektora. W większości zastosowań używa się detektorów o odległościach między paskami od 20 µm do kilkuset µm. Mniejsze odległości między paskami stwarzają problemy z połączeniem detektora do układu odczytowego, natomiast zwiększanie tej odległości powoduje pogorszenie rozdzielczości przestrzennej. Istnieją rozwiązania, które, wykorzystując detektory paskowe w konfiguracji krawędziowej oraz systemy z mikroprzesuwem, uzyskują informację o miejscu padania wiązki w dwóch wymiarach [12]. Takie rozwiązanie nie jest bardzo kosztowne, lecz czas pomiaru jest znaczący, co w przypadku badań medycznych może zwiększać dawkę promieniowania podawaną pacjentowi.. 1.3.3. Detektory paskowe dwustronne. Innym sposobem na uzyskanie informacji przestrzennej w dwóch wymiarach jest zastosowanie dwustronnych detektorów paskowych. Schemat dwustronnego detektora paskowego został przedstawiony na rysunku 1.11. Pojedyncze zdarzenie generuje impuls na pasku typu p+ (dziury) oraz pasku typu n+ (elektrony), dzięki czemu otrzymuje się informację o miejscu zdarzenia.. pasek typu n+ podłoże typu n. Rys. 1.11. Detektor paskowy dwustronny.. Znaczącym problemem przy stosowaniu paskowych detektorów dwustronnych jest tzw. generacja "duchów". Dochodzi do niej jeżeli w tym samym czasie w dwóch różnych miejscach nastąpi zdarzenie (rys. 1.12). W takiej sytuacji sygnały pojawią się na dwóch liniach odczytowych X oraz dwóch Y, co przy próbie rekonstrukcji sugeruje 4 miejsca zdarzeń. Bez dokładnej informacji o czasie zdarzenia nie można wskazać, w którym miejscu impuls został wygenerowany. Zachodzi więc konieczność stosowania układów koincydencji 14.

(23) Y. „Duchy” Zdarzenia. X. Rys. 1.12. Mechanizm powstawania tzw. "duchów"w paskowym detektorze dwustronnym.. w układach odczytowych do paskowych detektorów dwustronnych, co zwiększa stopień skomplikowania i koszt układu. Budowa detektora dwustronnego jest ponadto droższa niż w przypadku detektorów jednostronnych.. 1.3.4. Detektory mozaikowe. Na rysunku 1.13 przedstawiono przekrój detektora mozaikowego (potocznie zwanego pikselowym). Jest to matryca diod (pikseli) o stałej, będącej wymiarem charakterystycznym odległości pomiędzy ich środkami (ang. pixel pitch). Dzięki takiemu ułożeniu diod uzyskuje się informację o miejscu padania wiązki promieniowania w dwóch wymiarach.. piksel typu p+. pierścień ochronny. podłoże typu n. Rys. 1.13. Detektor mozaikowy.. Dokładność, z jaką można określić pozycję padającej wiązki promieniowania, jest uwarunkowana odległością pomiędzy środkami pikseli. Układ odczytowy dla detektorów mozaikowych ma najczęściej również strukturę pikselową, co oznacza, że w celu osiągnięcia 15.

(24) lepszej rozdzielczości przestrzennej należy zmniejszyć również rozmiar pojedynczej komórki odczytowej po stronie elektroniki odczytu. W zależności od zastosowań oraz materiału, z jakiego wykonany jest detektor, w praktyce wykorzystuje się detektory o odległości pomiędzy środkami pikseli wynoszącej 55 µm dla detektorów Si [13] oraz 100 µm dla CdTe [14]. Niewielkie rozmiary pojedynczego piksela sprawiają, że posiada on o wiele mniejszą pojemność niż pojedynczy pasek w detektorze paskowym. Wydawać by się mogło, że dzięki temu możliwe jest otrzymanie mniejszych szumów ENC niż w przypadku detektora paskowego. Jednak ze względu na małe rozmiary kanału odczytowego oraz ograniczenia na moc maksymalną w układzie pikselowym, uzyskiwany w przypadku detektorów pikselowych poziom szumu jest rzędu 100 e− rms.. 1.3.5. Detektory dryfowe. Stosuje się również tzw. detektory dryfowe [15, 16], które różnią się od wyżej wymienionych detektorów sposobem odczytu wygenerowanego ładunku (rys. 1.14).. . paski typu p+. elektrody odczytowe p+. Rys. 1.14. Detektor dryfowy.. Ładunek wygenerowany w obszarze czynnym detektora jest unoszony w polu elektrycznym do elektrody odczytowej i na podstawie pomiaru czasu w jakim ładunek dotarł do elektrody odczytowej, ustalana jest pozycja jego generacji. Detektory takie są wykorzystywane w fizyce wysokich energii, gdzie czas zdarzenia (generacji ładunku) jest znany, dzięki czemu można określić miejsce padania fotonu na detektor.. 1.3.6. Detektory typu integrującego (CCD). Detektory CCD zbudowane są z gęstych matryc pikseli, które zawierają w jednej strukturze zarówno część sensora (detektora promieniowania) jak również część odpowiedzialną 16.

(25) za odczyt sygnału z sensora. Schemat trójfazowego detektora CCD przedstawiony został na rysunku 1.15. Elektrony wytworzone przez zdeponowany w detektorze ładunek gromadzone są w studni potencjału, wytworzonej pod elektrodą, na którą został podany wysoki potencjał. Transport ładunku odbywa się poprzez sekwencyjne podawanie impulsów na kolejne linie ϕ1 , ϕ2 , ϕ3 . Ładunek zbierany jest kolejno z każdej kolumny i transportowany do wzmacniacza odczytowego.. Rys. 1.15. Schemat trójfazowego detektora CCD.. Zaletą detektorów CCD jest przede wszystkim wysoki stopień segmentacji, co przekłada się na dużą zdolność rozdzielczą. W praktyce w detektorach CCD stosowane są piksele o rozmiarach 20 µm x 20 µm [3]. Minimalny rozmiar pikseli występujący w detektorach CCD, zaprezentowany w literaturze [17], wynosi 9 µm. Wadą układów CCD jest konieczność sekwencyjnego odczytu, co znacznie ogranicza szybkość otrzymywania danych z układu. W celu zwiększenia szybkości odczytu można użyć więcej wzmacniaczy wyjściowych [3]. Kolejną wadą detektorów CCD jest konieczność stosowania specjalnej technologii do ich wytworzenia, ze względu na wymóg mniejszego poziomu domieszkowania podłoża.. 1.3.7. Monolityczne aktywne piksele. Detektorami wykonywanymi w całości w standardowych technologiach CMOS są monolityczne aktywne piksele (ang. Monolitic Active Pixel Sensors - MAPS). W tym rodzaju detektora sensor i układ odczytowy połączone są w pojedynczym pikselu, a projektowanie jest ułatwione ze względu na stosowanie standardowych bibliotek technologicznych. Rolę detektora odgrywa słabodomieszkowana warstwa epitaksjalna, której grubość wynosi od kilku do kilkunastu mikrometrów, w zależności od stosowanej technologii. Wiązka promieniowania X, padając na piksel, generuje ładunek w jego cienkiej war17.

(26) stwie epitaksjalnej. Ładunek jest zbierany przez aktywne diody (studnia n /p-epi) w każdym pikselu, a następnie odczytywany. Elektronikę odczytu w pojedynczej komórce należy umieścić w studni p, dlatego dopuszczalne jest stosowanie jedynie tranzystorów NMOS. Schemat standardowej komórki odczytowej przedstawiony został na rysunku 1.16. VDD. RESET. OUT. N+ P-. SELECT. Rys. 1.16. Uproszczony schemat pojedynczej komórki detektora MAPS.. Przykładem układów MAPS może być rodzina układów MIMOSA, której ostatnia wersja MIMOSA 26 [18] posiada 576 x 1152 pikseli o odległości pomiędzy sobą 18.4 µm. Szumy mierzone ze źródłem Fe (5.9 keV) wynoszą około 12 e− rms. Odmianą monolitycznych aktywnych pikseli są układy budowane w technologii SOI (ang. Silicon On Insulator ) [19, 20]. W tej technologii elektronika odczytu jest wykonana w cienkiej warstwie niskorezystywnego krzemu, ta z kolei jest naniesiona na izolator (rys. 1.17). Z drugiej strony izolatora znajduje się gruba warstwa (kilkaset µm) wysokorezystywnego krzemu służąca jako detektor.. Rys. 1.17. Przekrój detektora SOI [21].. Dzięki takiej budowie elektronika odczytu może zawierać oba typy tranzystorów MOS. Minimalizowane są również przesłuchy pomiędzy komórką odczytową i detektorem. Napięcie polaryzacji może być rzędu 100 V, co sprawia, że obszar zubożony rozciąga się na 18.

(27) całą grubość warstwy detekcyjnej. Pozwala to na pracę z wyższymi energiami w porównaniu do monolitycznych aktywnych pikseli wykonanych w standardowych technologiach CMOS. Główną wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania niestandardowej technologii, co podnosi koszt produkcji i komplikuje projektowanie układu.. 1.4. Model elektryczny detektora paskowego. Podczas symulacji układu scalonego, przeznaczonego do odczytu detektorów promieniowania X, projektant powinien dysponować modelem detektora, który umożliwi symulacje całego toru wraz z detektorem i elektroniką odczytu. Model będzie różny w zależności od typu rozpatrywanego detektora. Wyróżnia się detektory sprzężone stałoprądowo (ang. DC-coupling) oraz zmiennoprądowo (ang. AC-coupling). Schemat detektora DC z zaznaczonymi elementami RC przedstawiony został na rysunku 1.18,. Cs. Cs. pasek p+ Cb. podłoże n VBIAS. Rys. 1.18. Przekrój detektora paskowego sprzężonego stałoprądowo (DC).. gdzie: Cs - pojemność pomiędzy sąsiednimi paskami, Cb - pojemność pomiędzy paskiem a podłożem detektora. Detektor zbudowany jest z podłoża typu n, na które naniesione zostały metodą dyfuzji lub implantacji paski typu p+. Kontakty metalowe zostały naniesione bezpośrednio na paski p+. Jeżeli detektor zostanie spolaryzowany napięciem VBIAS , złącze p-n wolne od nośników ładunku utworzy kondensator Cb między paskiem a podłożem. Wartość pojemności Cb na jednostkę długości paska wynosi [22], ǫSi · p Cb ≈ l d. (1.10). gdzie: ǫSi - przenikalność dielektryczna krzemu (1.04·10−12 F/cm), p - odległość między 19.

(28) środkami pasków, d - grubość detektora. Przykładowo dla detektora o odległości między środkami pasków wynoszącej 100 µm i grubości 300 µm, pojemność na jednostkę długości paska wynosi 0.34 pF/ cm (dla pasków o szerokości 10-30 µm [23]). W detektorach paskowych dominującą pojemnością jest pojemność międzypaskowa Cs , która dana jest zależnością: w + 20µm Cs ≈ 0.03 + 1.62 · l p. (1.11). gdzie: w - szerokość paska. Pojemność Cs dla szerokości pasków w = 20 µm wynosi około 0.7 pF / cm. Prąd upływu detektora jest niepożądanym sygnałem dla elektroniki odczytu, a kompensacja jego wpływu na odczytywany sygnał jest kłopotliwa (szczególnie dla dużych wartości), dlatego też stosuje się sprzężenie zmiennoprądowe detektora z elektroniką odczytu (ang. AC-coupling). Sprzężenie to można uzyskać umieszczając w linii sygnału kondensator oraz rezystor podłączony równolegle do detektora. Kondensator będzie drogą dla sygnału użytecznego, natomiast rezystor będzie polaryzował detektor. Łączenie wielokanałowego detektora z elektroniką odczytu, poprzez dyskretne elementy RC, jest jednak niepraktyczne, dlatego też powszechnie stosowane są detektory paskowe typu AC, w których elementy RC są wbudowane (rys. 1.19).. SiO2. Cs. Cc. Cs. RB. VACpol Cb. VBIAS. Rys. 1.19. Przekrój detektora paskowego sprzężonego zmiennoprądowo (AC).. W tym przypadku paski p+ są izolowane tlenkiem od pasków metalowych, co tworzy pojemność sprzęgającą Cc , która zwykle wynosi 10-30 pF/cm [22]. Dodatkowo paski detektora podłączone są do rezystora polaryzującego RB , którego wartość wynosi od setek kiloomów do setek megaomów. Jako, że detektory sprzężone zmiennoprądowo wymagają bardziej skomplikowanej procedury wytwarzania, są one nieco droższe od detektorów 20.

(29) sprzężonych stałoprądowo. Dlatego, w niektórych przypadkach projektanci decydują się na użycie detektora typu DC. Kosztem, jaki należy ponieść, jest uodpornienie elektroniki odczytu na wpływ niepożądanego prądu upływu. Podczas symulacji wykonywanych dla celów tej pracy stosowano model elektryczny detektora promieniowania X przedstawiony na rysunku 1.20.. =. RL =. 4 kT. Układ odczytowy. CDET. Idleak. 2 qI dleak. Idet. 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 sygnału do szumu. Jako, że ładunek wejściowy jest całkowany, kształt impulsu wejściowego nie musi dokładnie odwzorowywać faktycznego kształtu impulsu z detektora promieniowania X. Dlatego 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 wartości (1 µF), aby nie wpływała na poziom napięcia wejściowego.. 1.5. Dobór materiału detektora promieniowania X. Najpopularniejszymi materiałami wykorzystywanymi do produkcji detektorów promieniowania X są krzem (Si) i german (Ge). Detektory z tych materiałów charakteryzują się bardzo dobrą rozdzielczością energetyczną a dzięki opanowanej technologii wytwarzania, istnieje możliwość otrzymywania elementów o znacznej powierzchni, charakteryzujących się jednorodnością parametrów. Od wielu lat prowadzone są badania nad detektorami, które będą przeznaczone dla wyższych energii promieniowania X (powyżej 20 keV), 21.

(30) dla których detektory krzemowe i germanowe, ze względu na swoją długość absorpcji, nie działają już tak dobrze. Badania te zaowocowały zastosowaniem detektorów z materiałów 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 absorpcji 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:. (1.12). η = 1 − exp(−τ · ρ · d). Efektywność absorpcji dla detektora o grubości 1 mm, wykonanego z wyżej wymienionych materiałów, została przedstawiona na rysunku 1.21. 1,0. Efektywno. absorpcji. Grubo. = 1mm. Materia. 0,8. Si Ge 0,6. GaAs CdTe HgI. 2. 0,4. 0,2. 0,0. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. 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 krzemowych do zastosowań z większymi energiami, detektor musiałby mieć znaczną grubość. Stosowanie detektora krzemowego o znacznej grubości niesie za sobą jednak niepożądane efekty, jak np.: • potrzebę zastosowania większego napięcia polaryzacji, 22.

(31) • dłuższy czas zbierania nośników, • efekty podziału ładunku. Pozornie lepsze wydaje się być zastosowanie detektorów germanowych, ponieważ posiadają 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 materiału. Stosunkowo duża wartość przerwy energetycznej CdTe (1.44 eV) pozwala na wykorzystanie 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 wydajności zbierania ładunku [3]. Sposobem na zwiększenie efektywności zbierania ładunku jest zwiększenie napięcia polaryzacji detektora. W standardowym detektorze CdTe z kontaktami ’ohmowymi’ pociąga to za sobą jednak zwiększenie prądu upływu [25]. W latach 90-tych XX wieku zaczęto stosować detektory CdZnTe [6], które dzięki zastosowaniu cynku mają powiększoną przerwę energetyczną (1.6 eV) oraz większą rezystywność, 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]. Poprzez 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 detektor 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 23.

(32) kosztowne i kłopotliwe. Inną metodą eliminacji efektu polaryzacji w detektorach Schottkiego CdTe jest cykliczne zerowanie napięcia polaryzacji detektora [28]. Kolejnym materiałem stosowanym w budowie detektorów promieniowania X jest arsenek galu (GaAs). Jego przewagą nad tellurkiem kadmu jest dobrze dopracowana technologia wytwarzania umożliwiającej otrzymywanie kryształów o znacznej wielkości (6 cali) [29]. W porównaniu do detektora krzemowego, detektory z arsenku galu mają większą efektywność absorpcji co sprawia, że są bardziej odpowiednie dla wyższych energii promieniowania. 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 wysokiej 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 wynikami otrzymanymi z detektorów CdTe przy niskich wartościach energii promieniowania X. Opis i wyniki przeprowadzonych badań przedstawione zostaną w rozdziale czwartym i piątym.. 24.

(33) Rozdział 2 Przegląd istniejących rozwiązań elektroniki odczytowej dla detektorów promieniowania X 2.1. Wstęp. Pośród wielu rozwiązań elektroniki odczytowej dla detektorów promieniowania X większość z nich posiada podobną blokową strukturę kanału pomiarowego. Schemat ogólny toru odczytowego przedstawiony jest na rysunku 2.1 [30]. Blok resetujący CFED. Dyskryminator Wejście (detektor). -KV. 1 bit. Układ Kształtujący Przetwornik A/C. n - bitów. 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. Sy25.

(34) 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 próbkującopamiętające wraz z przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Jeżeli projektowany układ ma być przeznaczony do pracy z detektorami sprzężonymi stałoprądowo, dodatkowym wymogiem 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 specyfikowanych układów scalonych do odczytu detektorów promieniowania X, które zazwyczaj są układami wielokanałowymi, posiadającymi przeważnie 16, 32, 64 lub 128 kanałów. Podstawowymi 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 ograniczenia. Przykładowo, jednorodność parametrów pomiędzy kanałami (np. niewielki rozrzut poziomów stałych na wejściu dyskryminatorów, wzmocnień, etc.) można uzyskać, zwiększając rozmiary elementów, co kłóci się z założonym obostrzeniem, dotyczącym minimalizacji 26.

(35) powierzchni. Z kolei niski poziom szumów można uzyskać poprzez zwiększenie pobieranego 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 poszczególnych kanałów. Projekt układu scalonego, przeznaczonego do obrazowania cyfrowego z wykorzystaniem promieniowania X, jest więc swego rodzaju kompromisem pomiędzy tymi parametrami. W niniejszym rozdziale przedstawiony zostanie przegląd literaturowy istniejących rozwiązań układów odczytowych, które były testowane z detektorami o wysokiej liczbie atomowej 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.. 2.2 2.2.1. Układy odczytowe dla detektorów paskowych Układy projektowane przez BNL. Jednym z zespołów zajmujących się projektowaniem układów scalonych dla obrazowania cyfrowego z wykorzystaniem detektorów półprzewodnikowych jest grupa Instrumentation Division w Brookhaven National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Wieloletnie doświadczenie pozwoliło grupie opracować układy scalone, cechujące się bardzo dobrymi parametrami zarówno szumowymi jak i szybkościowymi. Jednym z najlepszych układów jest układ scalony zaprezentowany w pracy [34], przeznaczony do zastosowania z detektorami CdZnTe. Schemat blokowy pojedynczego kanału odczytowego został przedstawiony na rysunku 2.2. Klasyczna struktura toru odczytowego kryje za sobą nowatorskie rozwiązania poszczególnych elementów, zwłaszcza układu PZC, dostosowanego do pracy z detektorami typu DC. Schemat ideowy wzmacniacza ładunkowego, z wyszczególnionym blokiem sprzężenia zwrotnego i układu PZC, przedstawia rysunek 2.3.. 27.

(36) Układ resetujący. Wejście. Wzmacniacz Ładunkowy. Kompensacja par biegun - zero. IoutPZC. Układ Kształtujący. Stopień wyjściowy. Wyjście. Układ podtrzymywania poziomu zerowego. Rys. 2.2. Schemat blokowy układu [34].. Vg W = NxWf L=Lf. Mf. Mpzc X. Cf Idet. Cpzc=Cf x N. -A. IoutPZC. Rys. 2.3. Schemat wzmacniacza ładunkowego wraz z układem kompensacji par biegun-zero [35].. Tranzystory Mf i Mpzc pracują w zakresie nasycenia. Ich efektywne rezystancje wynoszą Rf i Rpzc . Zakładając, że sygnał wejściowy wynosi:. Idet =. dQwe dt. (2.1). oraz, że napięcie na wyjściu wzmacniacza ładunkowego (punkt X) to:. VX = Idet ·. Rf sCf Rf + 1. (2.2). można otrzymany na wyjściu układu PZC prąd wyrazić zależnością:. Iout = −. Qwe Rf sCpzc Rpzc + 1 · sCf Rf + 1 Rpzc. (2.3). W celu usunięcia pary biegun - zero wartości kondensatora Cpzc oraz efektywnej rezystancji tranzystora Mpzc dobrano tak, by spełniały zależność: 28.

(37) Cpzc Rpzc = Cf Rf. (2.4). Po zastosowaniu tak dobranych wartości prąd wyjściowy z układu wzmacniacz ładunkowy - układ PZC wynosi:. IoutP ZC = −. Qwe · Cpzc Cf. (2.5). Impuls prądowy na wyjściu układu PZC jest pozbawiony długiej stałej czasowej, co pozwala na pracę układu z wyższą częstością impulsów wejściowych. Dokładny opis przedstawianego wzmacniacza ładunkowego i układu PZC wraz z wnikliwą analizą szumową został przedstawiony w pracy [35]. Układ kształtujący w prezentowanym układzie scalonym jest filtrem piątego rzędu. Rząd filtru został tak dobrany, aby skrócić czas trwania impulsu przy podstawie i zwiększyć stosunek sygnału do szumu. Za układem kształtującym zastosowany został stopień wyjściowy, który jest wzmacniaczem klasy AB „rail-to-rail”. Układ podtrzymania poziomu zerowego (ang. Base Line Holder ), redukuje wpływ prądu upływu na przesuwanie się linii bazowej na wyjściu układu [36]). Układ scalony zawiera 16 kanałów odczytowych [34] o wyżej opisanej architekturze, wykonanych w technologii 0.5 µm. Szumy, zmierzone po połączeniu układu z detektorem CdZnTe o pojemności 2 pF, przy prądzie upływu 1 nA oraz ładunku 1 fC, wynoszą ENC = 93 e− rms. Moc pobierana przez układ wynosi 18 mW / kanał, a jego rozmiary to 5.1 mm x 3.7 mm.. 2.2.2. Układ KW03. Kolejną grupą naukową, zajmującą się projektowaniem układów scalonych dla obrazowania cyfrowego, jest grupa naukowców z japońskiej organizacji kosmicznej JAXA [37] oraz wydziału fizyki Tokijskiego Uniwersytetu pod kierownictwem prof. Tadayuki Takahashi. Do dorobku grupy prof. Takahashiego należy wiele układów scalonych dla celów obrazowania z wykorzystaniem detektorów CdTe [38, 39, 40]. Przedstawiony poniżej układ został zaprezentowany na konferencji Nuclear Science Symposium w roku 2009. Układ scalony o nazwie KW03 [41] został zaprojektowany w technologii CMOS 0.35 µm. 29.

(38) Składa się z 32 kanałów i zajmuje powierzchnię 3 mm x 7.5 mm. Rysunek 2.4 przedstawia strukturę pojedynczego kanału. R1 Blok kompensacji prądu upływu. C1. C0 BUFF. HOLD. NOTA. CFED. R2. SEL. BUFF. C2. Wyjscie analogowe. BUFF. C3. IIN PREAMP. RPZC1 R1' C1'. C0 '. RF BUFF. NOTA. R2'. BUFF Komp. C2'. ONE SHOT. Tryger cyfrowy. VTR. RPZC2 Przetwornik C/A [0:3]. Wybór polarności. Rys. 2.4. Schemat kanału układu KW03 [41].. W kanale zastosowano za wzmacniaczem ładunkowym dwa równoległe układy kształtujące. Układ kształtujący o długim czasie osiągania wartości szczytowej tp (wolny) posiada na swoim wyjściu układ próbkująco-pamiętający. Wyjście z tego układu niesie ze sobą informację o amplitudzie impulsu. Układ kształtujący o krótkim czasie tp (szybki) z dyskryminatorem rejestruje moment przyjścia impulsu. Czasy osiągnięcia wartości szczytowej układów kształtujących wynoszą od 2 do 4 µs dla układu wolnego oraz 600 ns dla układu szybkiego. Moc pobierana przez układ wynosi 1.6 - 3 mW na kanał, przy zasilaniu ± 1.65 V.. Z wyników pomiarów przedstawionych w literaturze wynika, że układ bez podłączonego. detektora osiąga szumy poniżej 100 e− rms. Szumy jednak znacznie wzrastają po podłączeniu paskowego detektora CdTe. W temperaturze pokojowej, układ z podłączonym detektorem, osiąga rozdzielczość FWHM = 5 keV (przy oświetlaniu fotonami o energii 60 keV). Biorąc pod uwagę, że współczynnik konwersji energii na parę elektron-dziura dla CdTe wynosi 4.43 eV/e-h, daje to około 470 e− rms.. 2.2.3. Układ RENA 3. RENA 3 [42] jest 32-kanałowym układem scalonym zaprojektowanym przez firmę NOVA R&D ze Stanów Zjednoczonych. Niestety doniesienia literaturowe bardzo skąpo 30.

(39) opisują budowę wewnętrzną układu RENA-3, dlatego zostanie przedstawiony jedynie schemat blokowy. Każdy kanał układu RENA-3 zawiera wzmacniacz ładunkowy z układem restytucji [34], układ równoważenia par biegun-zero, układ różniczkujący oraz dwa układy kształtujące pracujące równolegle (o krótkim i długim czasie osiągania wartości szczytowej, rys. 2.5).. Układ restytucji. I in Detektor. Wzmacniacz ładunkowy. Kompensacja par biegun - zero. Detektor szczytowy. Wyjście analogowe. Układ kształtujący "wolny". Komparator. Wolny tryger. Układ kształtujący "szybki". Komparator. Szybki tryger. Układ różniczkujący. Rys. 2.5. Schemat blokowy układu RENA-3.. Układ równoważenia par biegun-zero jest w stanie pracować poprawnie ze średnią częstością impulsów wejściowych do ok. 200 kcps (ang. cps - counts per second ). Układy kształtujące posiadają programowalny czas osiągania wartości szczytowej w zakresie od 290 ns do 38 µs. Wzmocnienie układu jest programowalne. Maksymalny zakres energii, z jakimi układ może pracować z podłączonym detektorem CdTe, może być ustawiany w dwóch zakresach: do 250 keV oraz do 1.5 MeV. RENA-3 posiada układ kompensacji prądu upływu w zakresie ±5 nA. Maksymalna moc pobierana przez układ wynosi 6 mW. na kanał. W celu zminimalizowania poboru mocy istnieje możliwość wyłączenia nieuży-. wanych kanałów. Szumy układu, zmierzone z podłączonym detektorem CdZnTe, wynoszą 150 e− rms dla zakresu pracy do 250 keV oraz 280 e− rms dla zakresu pracy do 1.5 MeV. Moc pobierana podczas pracy układu wynosi 5 mW / kanał.. 2.2.4. Układ DEDIX. Układ DEDIX [43] został zaprojektowany w technologii CMOS 0.35 µm i posiada 64 kanały odczytowe. Schemat pojedynczego kanału przedstawiony został na rysunku 2.6. Powierzchnia zajmowana przez układ wynosi 3.9 mm x 5 mm. Impuls prądowy z detektora jest całkowany we wzmacniaczu ładunkowym. Za wzmac31.

(40) VGATE MPZ0-19 Mf0-9. VTA1 Cf. K=1. Licznik A. Wyjście A. Licznik B. Wyjście B. K2. VTA2. Wejście. -K. Układ kształtujący. K1. test. Cd. VTB1. K=1. Ct. Układ korekcji. VTB2 Dyskryminatory. Rys. 2.6. Schemat kanału układu DEDIX [43].. niaczem znajduje się układ kompensacji par biegun-zero, pozwalający na pracę z wyższymi częstościami impulsów wejściowych. Układ kształtujący CR-(RC)2 o czasie kształtowania impulsu 160 ns jest podłączony do dwóch niezależnych dyskryminatorów, wyposażonych w 8-bitowe przetworniki korekcyjne, w celu minimalizacji rozrzutu poziomów stałych na wejściach dyskryminatorów pomiędzy kanałami. Impulsy z dyskryminatorów są zliczane w 20-bitowych licznikach. Układ DEDIX został zaprojektowany do pracy z detektorami krzemowymi. Przeprowadzono na nim również testy z detektorami GaAs [44]. Charakteryzowały się one prądem upływu w zakresie od 5 nA do 30 nA, dlatego też, w celu minimalizacji tego prądu detektory były chłodzone. Testy zostały przeprowadzone z promieniowaniem gamma (60 keV). Otrzymana rozdzielczość to 3.4 keV FWHM, co przy współczynniku konwersji energii na parę elektron-dziura dla GaAs (≈4.2) przekłada się na szum 344 e− rms.. 2.2.5. Układ CERN-DxCTA. Układ CERN_DxCTA [32] został zaprojektowany w technologii CMOS 0.25 µm. Zawiera 128 kanałów odczytowych i przeznaczony jest do pracy z detektorami CdTe. Każdy kanał układu składa się ze wzmacniacza ładunkowego, układu kształtującego oraz dwóch niezależnych dyskryminatorów z 18-bitowymi licznikami (rys. 2.7). Dyskryminatory wyposażone są w 5-bitowy układ korekcji, pozwalający na zniwelowanie rozrzutów poziomów stałych na wejściach dyskryminatorów pomiędzy kanałami. Czas osiągania wartości szczytowej sygnału na wyjściu układu kształtującego wynosi 20 ns. Średnia wartość wzmocnienia wynosi 143.5 mV/fC. Szumy oszacowane z wykorzystaniem impulsów kalibracyjnych podawanych na wejście testowe wynoszą 430 e− rms bez 32.

(41) Referencje trim DAC. Licznik H. Cf Wzmacniacz różnicowy. Wejście Wzmacniacz Wejście ładunkowy Testowe. Komparator. Układ Kształtujący. Licznik L. trim DAC Wzmacniacz różnicowy. 18. 18. Komparator. Rys. 2.7. Schemat kanału układu DxCTA [32].. podpiętego detektora i wzrastają o 56 e− rms na każdy pikofarad pojemności detektora. Pobór mocy wynosi około 2.1 mW / kanał. Układ został przetestowany z detektorem CdTe podzielonym na matrycę o rozmiarach 16 x 16 pikseli, gdzie powierzchnia pojedynczego piksela wynosi 1 x 1 mm2 . Dzięki krótkiej stałej czasowej układ może poprawnie liczyć fotony do częstości średniej około 3.5 miliona zliczeń na sekundę.. 2.3. Układy odczytowe dla detektorów mozaikowych. W ostatnich latach budowane są układy scalone dla zastosowań z półprzewodnikowymi detektorami mozaikowymi (pikselowymi) o coraz mniejszych rozmiarach pikseli. Jest to spowodowane chęcią uzyskania coraz to lepszej przestrzennej zdolności rozdzielczej. Postęp w technologii VLSI pozwala na coraz większe upakowanie elementów na jednostkę powierzchni krzemu a zatem również na minimalizację rozmiarów piksela elektroniki odczytu. W roku 1990 najnowszą technologią stosowaną do produkcji układów scalonych była technologia o minimalnej szerokości bramki 800 nm. Oznaczało to, że na 1 mm2 można było umieścić około 1500 tranzystorów. W roku 2009 technologia CMOS 90 nm była już na tyle rozwinięta, że zaczęły powstawać układy do odczytu detektorów pikselowych, gdzie na powierzchni 1 mm2 można umieścić około 450 tysięcy tranzystorów [45].. 2.3.1. Układ Medipix 2. Układ Medipix 2 [13, 46] powstał przy współpracy wielu ośrodków naukowych z głównym udziałem CERN. Układ składa się z matrycy 256 x 256 komórek. Każda komórka (piksel) ma rozmiar 55 x 55 µm2 i zawiera w sobie 504 tranzystory. Schemat pojedynczej 33.

(42) komórki przedstawiony został na rysunku 2.8. Część cyfrowa Poprzednia komórka TRYB. Część analogowa Wzmacniacz ładunkowy. MUX2. 3-bit THR1. Wybór polarności. Vt1. Pad wejściowy. GLOBAL CLK. Dyskr1 CSA. 13 – bit Rejestr Przesuwny. MUX Dyskryminator. Dyskr2 8-bit Konfiguracja. Vt2 3-bit THR2. Wejście testowe. Następna komórka. Rys. 2.8. Schemat pojedynczej komórki układu Medipix 2 [46].. Wzmacniacz wejściowy jest układem różnicowym, co pozwala niwelować ewentualne szumy przenoszone przez podłoże lub pochodzące od napięć zasilania. Wzmacniacz posiada sprzężenie zwrotne, oparte na rozwiązaniu zaproponowanym przez F. Krummenachera [47]. Schemat ideowy wzmacniacza wejściowego wraz z układem sprzężenia przedstawiony został na rysunku 2.9. VDD Ikrum. V fbk. M1a. 8fF. M1b. IIN. VOUT MC Cl. Ikrum/2. Rys. 2.9. Schemat wzmacniacza wejściowego w układzie Medipix 2 [13].. Zastosowanie takiej konstrukcji sprzężenia zwrotnego zapewnia kompensację prądu upływu oraz uzyskanie dużej wartości efektywnej rezystancji w sprzężeniu zwrotnym. Za 34.

(43) kompensację prądu upływu odpowiedzialny jest tranzystor MC , który w połączeniu z pojemnością C1 pełni rolę żyratora, będąc naturalną drogą dla prądu upływu detektora. Prąd upływu detektora może być kompensowany w zakresie od - Ikrum/2 do Ikrum. Uproszczony schemat sprzężenia zwrotnego przedstawiony jest poniżej (rys. 2.10). R L C. IIN. CSA. VOUT. Rys. 2.10. Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza wejściowego układu Medipix 2.. Jak można wykazać, wartości elementów R i L wynoszą (zakładając, że gm1a = gm1b ):. R=. 1 gm1a. L=. =. 1 gm1b. 2·C gm1a 2. (2.6). (2.7). Sygnał z detektora po przejściu przez opisany wzmacniacz ładunkowy trafia na dwa dyskryminatory, które są wyposażone w 3-bitowy system korekcji. Dzięki zastosowaniu dwóch dyskryminatorów istnieje możliwość pomiaru w trybie tzw. okna energetycznego. W wypadku wadliwego działania określonej komórki (objawiającego się np. bardzo dużym szumem) lub gdy dana komórka nie odpowiada, istnieje możliwość wyłączenia odczytu komórki poprzez otwarcie kluczy za dyskryminatorami. Rejestr przesuwny (13bitowy) obecny w każdej komórce może pełnić dwie funkcje. W przypadku niskiego stanu linii TRYB, każda komórka pracuje w trybie zliczania impulsów. Natomiast kiedy linia ta jest w stanie wysokim, komórka pracuje w trybie odczytu, w którym dane są przesyłane rejestrem przesuwnym przy użyciu zewnętrznego zegara. Medipix 2 posiada wyjścia w standardzie LVDS. Odczyt może przebiegać szeregowo lub równolegle z częstotliwością 100 MHz. W przypadku odczytu szeregowego, czas czytania układu to 9 ms, w przypadku 35.

(44) odczytu równoległego, niecałe 300 µs. Szumy układu obliczone z pomiarów z impulsami kalibracyjnymi wynoszą 141 e− rms dla ładunków ujemnych (elektronów) i 200 e− rms dla ładunków dodatnich (dziur). Układ Medipix 2 był testowany zarówno z detektorami Si jak i GaAs. W przypadku pikselowego detektora GaAs przy oświetleniu go źródłem ameryku (59.5 keV), szumy podawane jako FWHM / Energia wynoszą 10 %, co dla detektora GaAs daje około 553 e− rms. W 2009 roku, podczas konferencji Nuclear Science Symposium, zaprezentowana została kolejna wersja układu Medipix 3 [48]. Układ wydaje się być obiecujący dla zastosowania z detektorami CdTe oraz CdZnTe ze względu na posiadaną możliwość niwelowania efektu podziału ładunku, który ujawnia się w tych detektorach przy dużym stopniu segmentacji. Jednak do momentu pisania niniejszej pracy, wyniki pomiarów układu Medipix 3 z detektorami CdTe ani CdZnTe nie zostały opublikowane.. 2.3.2. Układ H04. Kolejnym układem pikselowym jest układ wspomnianej już wcześniej grupy profesora T. Takahashiego. Układ noszący roboczą nazwę H04 [49] został zaprojektowany w technologii TSMC 0.35 µm, rozmiar układu to 5 mm x 5 mm. Układ zawiera 144 komórki ułożone w matrycy 12 x 12. Każdy z pikseli zawiera pad do podłączenia detektora o rozmiarze 400 x 400 µm2 . Schemat pojedynczej komórki przedstawia rysunek 2.11. Przetwornik C/A [0:3]. Wejście testowe CFED. C DIF. Ctest. Wejście. BUFF. R1. PREAMP. Wybór polarności. Pozycja XY. C1 -Kv. R2. RF. Komp. C2. HOLD. Wybór polarności. Ch. SEL BUFF. VAN. RPZ. Rys. 2.11. Schemat komórki odczytowej układu H04 [49].. Jak można zauważyć, schemat komórki jest podobny do wcześniej opisanego układu KW03 [41]. Sygnał z detektora po przejściu przez wzmacniacz ładunkowy, układ równoważenia par biegun-zero (PZC) oraz układ kształtujący, rozdzielany jest na dwie ścieżki. Jedna z nich zawiera komparator mający za zadanie wygenerowanie impulsu gdy sygnał 36.

(45) na detektorze przekroczy zadaną wartość, druga natomiast zawiera układ próbkującopamiętający detektora szczytowego z wyjściem analogowym. Pomimo relatywnie prostej konstrukcji układu jest on atrakcyjny ze względu na wyniki pomiarów otrzymane z detektorem CdTe [50]. Po podłączeniu 144 pikselowego detektora CdTe do układu i oświetleniu go źródłem. 241. Am rozdzielczość energetyczna uzyskana przy energii 59.5 keV wyniosła. 870 eV (FWHM), czyli około 200 e− rms, co wśród doniesień literaturowych jest jednym z najlepszych wyników.. 2.3.3. Układ XPAD 3. Układ XPAD3 został zaprojektowany przez naukowców z CNRS we Francji [33]. Wykonany jest w technologii IBM 0.25 µm, zawiera matrycę 80 x 120 komórek a rozmiar pojedynczej komórki to 130 x 130 µm2 . Układ powstał w dwóch wersjach: XPAD3S przeznaczonej dla detektorów krzemowych oraz XPAD3C przeznaczonej dla detektorów CdTe. Schemat pojedynczej komórki przedstawia rysunek 2.12. Układ restytucji. Vdd. Cf Wejście. -KV. OTA. Vdd. Kontrola Okna Energetycznego. CTEST Wejście testowe. L. R. I C. E J. Z N I K. E S T R. P A M I Ę Ć. Rys. 2.12. Schemat ideowy pojedynczej komórki układu XPAD3C [33].. Wzmacniacz ładunkowy jest oparty na strukturze zawiniętej kaskody i zawiera w sprzężeniu strukturę, która w przypadku układu XPAD3-S jest prostym tranzystorem MOS, pracującym w zakresie triodowym a w przypadku układu XPAD3-C jest wzmacniaczem transimpedancyjnym. Sygnał ze wzmacniacza ładunkowego zamieniany jest na prąd a następnie podawany na dwa niezależne komparatory prądowe. Wzmocnienie toru analogowego wynosi 0.3 nA/e− a szumy bez detektora to około 160 e− rms. Zakres energii, z jakimi układ może pracować sięga do 60 keV. Szumy oszacowane z pomiarów z detektorem mozaikowym CdTe [33] wynoszą około 200 e− rms w trybie zliczania dziur oraz około 250 e− rms w trybie zliczania elektronów. 37.

(46) Rozdział 3 Wielokanałowy układ scalony w technologii submikronowej dla potrzeb detektorów o wysokiej liczbie atomowej Z System obrazowania cyfrowego, na który składa się układ scalony wraz z pozycyjnym detektorem promieniowania X, pracującym w trybie zliczania pojedynczych fotonów, powinien charakteryzować się wysokim stopniem segmentacji, zarówno ze strony detektora jak i układu scalonego. Dodatkowym wymogiem dla układu scalonego przeznaczonego do odczytu detektorów zbudowanych z materiałów takich jak CdTe i GaAs, jest możliwość pracy z prądem upływu detektora, który, będąc sygnałem niepożądanym, wpływa negatywnie na pracę toru odczytowego. Ogólne wymagania, jakie powinien spełniać układ scalony przeznaczony do pracy z detektorami promieniowania X, zostały przedstawione w rozdziale 3. Na podstawie wymienionych założeń, zaprojektowano wielokanałowy układ scalony dla potrzeb obrazowania cyfrowego, który przeznaczony jest dla paskowych detektorów promieniowania X, pracujących w trybie zliczania pojedynczych fotonów. Założenia projektowe układu były następujące: • wielokanałowa struktura układu, • niskie szumy (ENC < 200 elektronów), 38.

(47) • niski pobór mocy (rzędu pojedynczych mW/kanał), • możliwość pracy z wejściowymi impulsami o polarności dodatniej i ujemnej, • wysoka jednorodność podstawowych parametrów (wzmocnienie, szumy, poziomy stałe napięć),. • programowalny zakres liniowej pracy z energiami generowanymi przez fotony z zakresu od 5 keV do 100 keV,. • możliwość pracy z prądem upływu detektora (w zakresie od -10 nA do +10 nA), • możliwość pracy z dużą częstością impulsów wejściowych do około 106 zliczeń na sekundę.. Prąd upływu. Detektory, dla których przeznaczony jest układ, charakteryzują się prądami upływu w zakresie kilku nA/pasek. Detektory CdTe z barierą Schottkiego cechują się zaś prądem upływu w zakresie pA/pasek (dla przypadku detektora o grubości 0.5 mm i wymiarach kontaktu 2x2 mm [51]). W przypadku detektorów GaAs prąd wynosi do 10 nA/pasek (dla przypadku detektora o grubości 250µ i średnicy kontaktu 0.75 mm [52]). Mając na uwadze wymaganie pracy układu z obiema polarnościami sygnału wejściowego, założony zakres prądu upływu detektora, dla którego układ powinien działać poprawnie to ± 10 nA/pasek. Polarność impulsów wejściowych. Projektowany układ powinien mieć możliwość pracy zarówno z dodatnimi jak i z ujemnymi impulsami wejściowymi. Przykładem zastosowania układu do pracy z obiema polarnościami impulsów wejściowych mogą być rodziny detektorów CdZnTe oraz CdTe. W konfiguracji zbierania dziur detektory te nie nadają się dla zastosowań z dużą intensywnością impulsów wejściowych z powodu małej ruchliwości dziur, co przekłada się na długi czas zbierania ładunku. Dlatego też, w celu minimalizacji czasu zbierania ładunku, stosuje się detektory CdTe w konfiguracji zbierania elektronów, ponieważ elektrony charakteryzują się większą o rząd wielkości ruchliwością niż dziury (µe = 1500 cm2 /V·s, µh = 100 cm2 /V·s [5]).. 39.

(48) Wymagania szumowe. Energie promieniowania X dla jakich jest przeznaczony układ mieszczą się w zakresie od 5 keV do 100 keV. Z przedziału niskich energii najczęściej używaną laboratoryjną lampą rentgenowską jest lampa z katodą z miedzi. [53]. Energia charakterystyczna dla takiej lampy wynosi 8 keV. Foton o tej energii generuje w detektorze CdTe średnio 1800 elektronów. Wymaganie niskich szumów układu odczytowego (na poziomie 200 elektronów) jest podyktowane chęcią uzyskania stosunku sygnału do szumu na poziomie około 10/1.. Architektura wielokanałowa. Przy pracy z detektorami pozycyjnymi wymagany jest duży stopień segmentacji elektroniki odczytu. Z tego powodu pojawiają się dodatkowe obostrzenia projektowe dotyczące jednorodności parametrów układu takich jak wzmocnienie oraz poziomy stałe napięć na wejściu dyskryminatorów. Dodatkowym ograniczeniem jest maksymalny limit mocy przypadającej na pojedynczy kanał odczytowy (ok. 10 mW), tak aby uniknąć konieczności dodatkowego chłodzenia. W projektowanym układzie zdecydowano się na umieszczenie w jednej strukturze 64 (lub 32) identycznych kanałów.. Praca z dużą częstością impulsów wejściowych. Projektowany układ powinien mieć możliwość pracy z dużą częstością impulsów wejściowych dochodzącą do 1 Mcps. Przekłada się to bezpośrednio na konieczność zastosowania układu równoważenia par biegun-zero (ang. Pole-Zero Cancellation), który ogranicza spiętrzenia impulsów oraz zastosowaniu układu kształtującego o odpowiednio dobranych stałych czasowych.. Programowalny zakres maksymalnej energii, z jaką układ jest w stanie pracować w zakresie liniowym, pozwoli na pracę zarówno z energiami typowymi dla badań dyfrakcyjnych (8 keV, 17.5 keV) jak również z energiami wykorzystywanymi w obrazowaniu medycznym (30 keV- angiografia, 60 keV - mammografia czy obrazowanie w stomatologii [54]).. Niniejszy rozdział przedstawia dobór architektury pojedynczego toru odczytowego, jak również całego układu scalonego. Ich budowa spełnia wyżej postawione założenia. W rozdziale została również zawarta szczegółowa analiza poszczególnych elementów analogowego toru układu pod kątem pracy z prądem upływu detektora.. 40.