Medipix - Medipix
Medipix je rodina detektorů pixelů pro počítání fotonů a sledování částic vyvinutá mezinárodní spoluprací, kterou pořádá CERN.
Design
Tyto jsou hybridní detektory protože vrstva polovodičového senzoru je navázána na vrstvu elektroniky zpracování.
Vrstva senzoru je polovodič, jako je křemík, GaAs nebo CdTe ve kterém dopadající záření vytváří mrak elektron / díra. Náboj se poté shromažďuje na pixelové elektrody a prostřednictvím nárazových vazeb vedených k CMOS vrstva elektroniky.
Pixelová elektronika nejprve zesílí signál a poté porovná amplitudu signálu s předem nastavenou úrovní diskriminace (energetický práh). Následné zpracování signálu závisí na typu zařízení. Standardní detektor Medipix zvyšuje počitadlo v příslušném pixelu, pokud je signál nad úrovní diskriminace. Zařízení Medipix obsahují také horní úroveň diskriminace, a proto mohly být přijímány pouze signály v rozsahu amplitudy (v energetickém okně).
Zařízení Timepix nabízejí kromě počítání dalších dvou provozních režimů. První z nich je tzv. Režim „Time-over-Threshold“ (Analogově-digitální převodník typu Wilkinson ). Jedná se o režim, kdy čítač v každém pixelu zaznamenává počet hodin, u nichž puls zůstává nad úrovní diskriminace. Toto číslo je úměrné energii detekovaného záření. Tento režim je užitečný pro aplikace pro sledování částic nebo pro přímé spektrální zobrazování.
Druhým režimem čipu Timepix je „Čas příjezdu“, ve kterém čítače pixelů zaznamenávají čas mezi spouštěním a detekcí kvantity záření s energií nad úrovní diskriminace. Tento provozní režim najde uplatnění v Čas letu (TOF) aplikace například při zobrazování neutronů.
Každý jednotlivý zásah záření je zpracován elektronikou integrovanou v každém pixelu tímto způsobem, takže zařízení lze považovat za 65 536 jednotlivých detektorů počítání nebo dokonce spektrometry. Energetické rozlišovače jsou nastavitelné. Proto je možné skenováním s jejich úrovní měřit celé spektrum přicházejícího záření a umožňovat tak úplné spektroskopické rentgenové zobrazování.
Medipix-2, Timepix a Medipix-3 jsou všechny 256 × 256 pixelů, každý čtverec 0,055 mm (55 μm), tvořící celkovou plochu 14,08 mm × 14,08 mm. Detektory s větší plochou je možné přepravovat hromadným spojováním více čipů s většími monolitickými senzory. Běžně se používají detektory velikostí od 2x2 do 2x4 čipů. Díky technologii senzorů bez hran by bylo možné vytvořit ještě větší oblasti bez mezer. Zde mají čipy Medipix / Timepix každý svůj vlastní senzor a tyto sestavy jsou vedle sebe vedle sebe, aby vytvořily téměř libovolně velké pole detektorů (největší sestava využívající tuto technologii má čipy 10x10, tedy 14x14 cm a 2560x2560 pixelů[1]).
Standardní jednočipová nosná deska Medipix s výstupem USB.
Quad board: čtyři čipy Medipix2 s jedním společným senzorovým čipem, které mají větší plochu s omezeným mrtvým prostorem.
Přední část Excalibur. Každý ze tří senzorů má připojených 16 čipů.
WidePix 10x10 s rozlišením 2560x2560 pixelů (6,5 Mpixel) a nepřetržitě citlivou oblastí.
Srovnání se stávajícími technologiemi
Detektory pixelů počítající fotony představují novou generaci detektorů záření. Technologie počítání fotonů překonává omezení současných zobrazovacích zařízení. Porovnání počítání fotonů se stávajícími technologiemi je v následující tabulce:
| Filmové emulze | Nabíjejte integrační zařízení | Detektory pixelů počítající fotony | |
|---|---|---|---|
| Princip činnosti | Změna chemických nebo fyzikálních vlastností po interakci s radiací. Vyžaduje speciální zacházení (vývojový proces, skenování, ...). | Ionizující záření vytváří světlo a následně elektrický náboj, který se shromažďuje a integruje do pixelů (CCD, CMOS snímače, Ploché panely, …). | Ionizující záření vytváří náboj přímo v senzoru. Poplatek se porovnává s prahovou hodnotou a počítá se digitálně v pixelech. |
| Výhody | Velmi vysoké rozlišení, nízká hlučnost, levné. | Vysoké prostorové rozlišení. Nízká cena. | Dobré prostorové rozlišení, vysoká rychlost čtení, žádný šum, žádný temný proud, neomezené dynamické měřítko, energetická diskriminace |
| Nevýhody | Nelineární odezva, omezené dynamické měřítko, potřebuje zpracování | Temný proud, hluk, omezená dynamická stupnice | Vysoká cena. |
Verze
Medipix-1 byl prvním zařízením rodiny Medipix. Mělo 64x64 pixelů s roztečí 170 µm. Pixely obsahovaly jeden komparátor (prahovou hodnotu) s nastavením offsetu 3-bit na pixel. Minimální prahová hodnota byla ~ 5,5 keV. Hloubka čítače byla 15bitová. Maximální rychlost počítání na pixel byla 2 MHz na pixel.
Medipix-2 je nástupcem Medipix-1. Rozteč pixelů byla snížena na 55 µm a pixelové pole je 256x256 pixelů. Každý pixel má dvě úrovně diskriminace (horní a dolní prahovou hodnotu), z nichž každá je individuálně nastavitelná v pixelech pomocí 3bitového posunu. Maximální rychlost počítání je přibližně 100 kHz na pixel (avšak v pixelech s 9x menší oblastí ve srovnání s Medipix-1).
Medipix-2 MXR je vylepšená verze zařízení Medipix-2 s lepší teplotní stabilitou, ochranou proti přetečení počítadla pixelů, zvýšenou tvrdostí záření a mnoha dalšími vylepšeními.
Timepix je zařízení koncepčně pocházející z Medipix-2. Přidává k pixelům další dva režimy, kromě počítání detekovaných signálů: Time-over-Threshold (TOT) a Time-of-Arrival (TOA). Zjištěná výška pulzu je zaznamenána na počítadle pixelů v režimu TOT. Režim TOA měří čas mezi spuštěním a příchodem záření do každého pixelu.
Medipix-3 je nejnovější generace zařízení pro počítání fotonů pro rentgenové zobrazování. Rozteč pixelů zůstává stejná (55 µm), stejně jako velikost pole pixelů (256x256). Má lepší energetické rozlišení díky korekci sdílení náboje v reálném čase. Má také několik čítačů na pixel, které lze použít v několika různých režimech. To umožňuje nepřetržité odečítání a až osm energetických prahů.
Timepix-3 je nástupcem čipu Timepix. Jednou z největších rozlišovacích změn je přístup k odečtu dat. Všechny předchozí čipy využívaly odečet na základě snímků, tj. Byla načtena celá pixelová matice najednou. Timepix-3 má odečet založený na událostech, kde jsou hodnoty zaznamenané v pixelech čteny ihned po zásahu spolu se souřadnicemi hledaného pixelu. Čip proto generuje spíše nepřetržitý proud dat než sekvenci snímků. Dalším významným rozdílem oproti předchozímu čipu Timepix je schopnost měřit amplitudu zásahu současně s dobou příjezdu. Ve srovnání s původním čipem Timepix byly také vylepšeny další parametry, jako je energie a rozlišení časování.
Čtení elektroniky
Digitální data zaznamenaná zařízeními Medipix / Timepix jsou přenášena do počítače pomocí odečítací elektroniky. Čtecí elektronika je také zodpovědná za nastavení a řízení parametrů detektoru. V rámci spolupráce Medipix bylo vyvinuto několik odečtových systémů
Muros
Muros byl jedním z prvních zobrazovacích systémů detektorů Medipix. Muros byl vyvinut v Nikhef, Amsterdam, Nizozemí. Bylo to relativně kompaktní zobrazení umožňující přístup ke všem funkcím detektoru. To umožnilo maximální snímkovou frekvenci cca 30 snímků / s s jedním čipem.
USB rozhraní
Tato elektronika byla vyvinuta na IEAP -ČVUT, Česká republika. Poskytuje nižší snímkovou frekvenci ve srovnání s Murosem, ale elektronika byla integrována do krabice, která není větší než balíček cigaret. Navíc nebyla zapotřebí žádná speciální hardwarová karta pro PC, jako tomu bylo v případě Murose. Proto USB rozhraní se rychle stalo nejpoužívanějším odečtem v rámci spolupráce Medipix a jejích partnerů.
Relaxd
Relaxd je odečítací elektronika vyvinutá v Nikhef. Data jsou přenášena do PC přes ethernetové připojení 1 Gbit / s. Maximální obnovovací kmitočet je na úrovni 100 snímků / s.
Fitpix
Fitpix je další generací USB rozhraní vyvinuté skupinou v Praze. Elektronika implementuje paralelní odečet Medipix / Timepix, a proto maximální snímková frekvence dosahuje 850 snímků / s. Podporuje také sériové odečty se snímkovou frekvencí 100 snímků / s.
Minipix
Minipix je miniaturizovaný integrovaný čip + odečítací elektronika vyvinutá společností ADVACAM s.r.o. v Praze. Celý systém má velikost a USB flash disk. Několik z těchto zařízení bylo použito na Mezinárodní vesmírné stanici jako radiační monitorovací systémy.[2]
Spidr
Spidr je výkonná odečítací elektronika pro čip Timepix-3. Je ve vývoji na Nikhef.
Systémy Excalibur a Merlin
Oba systémy jsou vyvíjeny na Diamantový světelný zdroj, UK, pro výstup Medipix3 a aplikace na synchrotronech. Merlin je k dispozici se senzory CdTe od společnosti Kvantové detektory kteří spolupracují na dalším vývoji s Diamond Light Source.
Systém LAMBDA
Lambda je vysokorychlostní (2 000 fps) velké oblasti (12 čipů) odečítací systémy vyvinuté na DESY. Lambda je k dispozici s volitelnými senzory s vysokým Z, jako jsou GaAs (Gallium-Arsenide) a CdTe (Cadmium-Telluride).
MARS
MARS je gigabitový ethernetový výstup, který pojme až 6 detektorů Medipix 2 nebo Medipix 3. Elektronika byla vyvinuta v University of Otago, Christchurch, Nový Zéland.
Aplikace
Rentgenové zobrazování
Rentgenové zobrazování je primární aplikační pole detektorů Medipix. Medipix nabízí rentgenovému zobrazovacímu poli zejména výhodu ve vyšším dynamickém rozsahu a energetické citlivosti.[3] Příklady rentgenových snímků z vybraných aplikačních polí pro rentgenové zobrazování jsou:
Biologie: Tropický šváb.
Biologie: Střevlík brouk.
Nedestruktivní testování: Kovový kompozitní vzorek.
Nedestruktivní testování: Kompozitní vzorek papírového jádra.
Dozimetrie kosmického záření
Detektory založené na timepixu z Medipix2 Collaboration byly létány na Mezinárodní vesmírné stanici od roku 2013 a na prvním letovém testu (EFT-1) nového víceúčelového posádkového vozidla NASA Orion v prosinci 2014. Současné plány vyžadují podobná zařízení jako být letecky převezen, protože oblast primárního záření monitoruje budoucí počáteční mise Orion s posádkou.
jiný
Detektory mohou také najít aplikace v astronomie, fyzika vysokých energií, lékařské zobrazování, a Rentgenová spektroskopie.
Dějiny
- Medipix-1: Počátek 90. let.
- Medipix-2: Pozdní 90. léta.
- Medipix-3: Spolupráce vznikla v roce 2006.
- Medipix-4: Spolupráce vznikla v roce 2016.
Reference
- ^ Velkoplošná kamera Timepix 6,5 MPix
- ^ "Kamery ADVACAM". https://advacam.com/minipix. Externí odkaz v
| web =(Pomoc); Chybějící nebo prázdný| url =(Pomoc) - ^ X-ray.camera