Мозаика не ручной работы
В современной физике при проведении экспериментов и наблюдении на человеческий глаз давно не полагаются. Большинство процессов, которые интересуют научную общественность сегодня, происходят либо во вселенских, либо в микроскопических масштабах, и в обоих случаях недоступны для человеческого восприятия. Поэтому особенно важным направлением сегодня является создание детекторов, которые способны были бы не только уловить происходящие процессы, но и представить их в доступном для человеческого восприятия виде.
Над этой задачей в разных вариантах постоянно работают многие учёные мира, стараясь обострить восприятие «электронных глаз». Среди них - совместная группа Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и Томского государственного университета под руководством Георгия Шелкова и Олега Толбанова.
Уже не первый год коллаборация занимается созданием полупроводникового пиксельного детектора для регистрации элементарных частиц. Исследователи успешно освоили в качестве материала детектора арсенид галлия - химическое соединение галлия и мышьяка. По сравнению с обычным кремнием, который используется в большинстве детекторов, этот материал в несколько раз лучше регистрирует гамма-кванты. А в медицинской аппаратуре, например, это означает в несколько раз меньшую дозу облучения, получаемую пациентом при обследовании.
Арсенид галлия давно и хорошо известен и широко применяется в радиоэлектронике при производстве высокочастотных радиодеталей, однако детекторы элементарных частиц на его основе долго не удавалось сделать. Томскому коллективу под руководством профессора О.П. Толбанова удалось модифицировать арсенид галлия и придать ему нужные свойства. Пока только ТГУ обладает уникальной технологией производства подобного материала.
Несколько лет назад учёным из Томска и Дубны в сотрудничестве с европейскими коллегами удалось сделать единичный детектор - квадратную пластинку со стороной 14 мм, на которой нанесены более 65 тысяч пикселей. Зазор между пикселями очень мал, что позволяет получать при помощи такого детектора практически непрерывное изображение.
Из нескольких отдельных маленьких детекторов 14х14 мм можно собирать «мозаики», а потом объединять их в детекторы ещё большей площади
Но сегодня перед ними стоит более сложная проблема - собрать такие пластинки в матричный детектор размером два на двенадцать квадратиков (то есть, в прямоугольник размером чуть больше 100 мм в одном направлении и 28 мм в другом). В реализации этой задачи российским учёным помогут их коллеги из крупнейших научных центров Германии - DESY, Технологического института Карлсруэ и Фрайбургского университета.
Объединены шесть детекторов размером 14х14 мм
«Задача - совместно с немцами создать детектор, собранный из наших пластин как мозаика. Проблема в том, что между «квадратиками» в этой мозаике сейчас остаются щели, причём довольно значительные», -
пояснил руководитель проекта Георгий Шелков.
Помимо создания непрерывного изображения внутри периметра детектора учёные намерены также свести к минимуму нечувствительную зону по его краям. В планах уменьшить её со 150 микрон, как сейчас, до 50. Если это будет достигнуто, уже большие пластинки можно будет складывать вместе для получения матричного детектора сколь угодно большой площади, пояснил участник проекта Алексей Жемчугов.
Но и это ещё не всё. Полученное изображение надо обработать и сохранить на компьютере. Естественно, припаять провода к каждому пикселю невозможно, поэтому задача решается с помощью специально разработанной микросхемы, имеющей отдельные контакты для каждого пикселя детектора. Чтобы представить себе сложность микросхемы, достаточно сказать, что каждый пиксель размером 50 на 50 микрон содержит в себе электронику для обработки сигнала, состоящую более чем из 1500 транзисторов.
Фото шариков припоя на каждом пикселе перед сборкой. Внизу справа указан масштаб
Если представить, что наш мозаичный детектор - это шахматная доска, то задача учёных таким образом наложить друг на друга 2 такие доски, чтобы соединились контакты, находящиеся на поверхности каждого квадратика. А таких контактов 65 тысяч.
Тут и начинает работать российско-немецкая коллаборация. Дело в том, что технология по сверхточному наложению двух таких элементов детектора отсутствует в России, но есть в Германии.
Все три стадии разработки - создание чувствительных элементов, создание микросхем и их наложение, - это очень трудоёмкий процесс, и на данном этапе учёные ожидают, что большая часть детекторов окажется бракованной. «Надо понимать, что не все пластины будут хорошие, что не все они хорошо соединятся с микросхемами, и что не вся эта сборка будет потом нормально работать. Именно поэтому всё это так дорого. Это опытный образец», - сказал Георгий Шелков.
Как это работает?
Важная особенность и отличие разрабатываемого детектора в том, что он способен распознавать, какая именно частица в него попала.
«Например, очень хорошо видна разница между низко-энергичными гамма-квантами или электронами и альфа-частицами», - пояснил руководитель проекта. Это даёт уникальную возможность распознавать частицы, попавшие в детектор, причём в режиме реального времени.
Рентгеновское фото черепа мыши, полученное с помощью детектора
Пока такие детекторы делаются для работы в экспериментальных установках, например для получения изображений на синхротронных источниках. Они пригодятся в экспериментальных работах и на различных исследовательских реакторах, в том числе на российском ИБР-2, предназначенном для изучения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. Этот реактор был построен в 80-х годах прошлого века в подмосковной Дубне, а в 2006-2011 годах переоборудован в соответствии с новыми стандартами.
Однако
можно надеяться что технология изготовления таких детекторов будет отлажена и их массовое производство в будущем приведет к их широкому применению не только в сугубо научных целях на исследовательских установках, но и в других отраслях: медицине, биофизике, минералогии, геофизике.
Проект «Создание гибридных пиксельных детекторов большой площади на основе сенсоров из модифицированного арсенида галлия GaAs:Cr и микросхем считывания Medipix3RX для источников синхротронного излучения и источников нейтронов (GALAPAD-2)» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы».
Иллюстрации предоставлены научной коллаборацией.
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=96524#.VT6Hmme-BR0