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光子计数、像素化X射线探测器(HPC)的基本结构、原理和工作模式

2019-08-19 15:38:26 661

什么是光子计数、像素化X射线探测器(HPC)?

光子计数、像素化X射线探测器是结合了CMOS技术和光子计数技术的一种新型探测器,是实现对硬X射线的直接、高效率探测,同时可以保持较高的帧率。

HPC基本结构、工作原理和三种工作模式

基本结构:

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混合像素光子计数器总体上可分为2层:

l  传感器(Pixelated sensor layer

l  读出芯片(Readout chip

传感器和读出芯片采用倒装法,通过焊接金属球粘合在一起,一个焊接球对应一个像素,即通过焊接球实现像素化。每个像素对应读出芯片的一个处理单元。


北京众星联恒科技有限公司工作原理:

每个像素相当于一个探测器,其读出电子学包括放大器、阀值比较器、计数器、设置和读出电路。

光子打在传感器上,生成电子-空穴对,电子或空穴被邻近的像素电极收集,经放大器(通常是电荷灵敏放大器)放大后,送入比较器。如信号幅度大于给定的阀值(外部输入),像素计数器就增加一个计数,这种模式称为计数模式Counting Mode)。

维基百科给出的动画很形象地给出了这个过程,可点击图片链接访问。

电子-空穴对的数量正比于入射光子的能量,因此放大器输出的信号脉冲幅度也正比于光子能量。因此,比较器阀值水平与光子能量直接相关。如从小到大(或从大到小)改变比较器阀值,进行多次测量,就可以得到不同能量水平的光子流率。再用数学方法处理,可以得到不同能量的光子流率和能谱。

实际上,放大器的输出信号除幅度信息外,还有其它信息。因为电子电路的固有特性,脉冲从0到最大值(峰值)需要一定的时间(称为达峰时间),从峰值回到(基线)0也需要一定的时间(称为下降时间)。峰值越高,达峰时间和下降时间也越长,而峰值与能量相关,也就是说,信号幅度在阀值之上的持续时间与光子能量有关,这个持续时间就称为TOTTime Over Threshold)。如能测得这个持续时间,也能得到光子能量信息。这种模式称为TOT模式

某些应用需要知道光子的到达时刻(Time Of Arrival),就需要设置某个时间基准,测量光子到达时间与这个基准的时间间隔。时间基准有两种方式:以测量开始时间为基准(Timepix 3芯片),或以测量结束时间为基准(Timepix芯片)。到达时间可以设为信号脉冲(上升沿或下降沿)阀时刻。这种模式称为TOA模式

为了数字化,如要测量TOTTOA信息,且达到一定的精度,需要引入高稳定性、高频率时钟(Clock),通过测量TOTTOA对应的时钟脉冲计数值,就可以实现数字化。



下图是3种模式脉冲计数示意图:



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l  TOT模式:信号上升沿,信号幅度超过阀值时,每个时钟脉冲计数器增加一次;信号下降沿,信号幅度低于阀值时,计数器停止计数。测量结果是累加的TOT时间对应的时钟脉冲数。

l  TOA模式:从第一个信号脉冲幅度超过阀值后,开始对时钟脉冲计数,直至测量结束,忽略之后信号幅度超过阀值的信号脉冲。测量结果是第一个信号脉冲幅度超过阀值时刻到测量结束的时间间隔。

l  Counting模式:信号上升沿超过阀值一次,计数器增加1。这种模式无需时钟脉冲,可在相同的芯片面积上实现多种测量方式,见Medipix 3芯片。


因为计数器位数有限,且要兼顾一定的时间精度,精度越高,位数要求越多。所以TOT模式和TOA模式的测量时间较短。


像素阵列计数值的读出就需要一定的时间。对某些快速实验来说,整个像素阵列的读出时间就成为瓶颈。如果在整个测量期间内像素有计数就读出,同时读出像素位置,这样就兼顾了测量周期和空间分辨率。Timepix 3的数据驱动读出方式可以满足这种应用的需要。

    除了信号处理(放大、比较和计数),每个像素还需要有信号读出电路、参数设置和保持电路,测量TOT和TOA还需要有高频率时钟信号处理电路,这样读出芯片的每个      读出单元需要较大的芯片面积,受制造工艺的限制,混合像素光子计数器像素尺寸比CCD大:55μm×55μm。此外,由于读出电路的复杂性,读出芯片不能做得很大,一般为256×256,但可以通过拼接技术实现多像素。

目前读出芯片主要有两种:Medipix 系列和Timepix 系列,前者主要用于计数,后者侧重于时间测量。

不同能量范围和不同辐射类型,可采用不同的半导体材料,如CdTeCdZnTeGaAs等。


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