УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ ЧАСТИЦЫ В МНОГОКАНАЛЬНОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДАТЧИКЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01T1/24 

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к электронным устройствам для считывания данных с датчиков ионизирующих излучений и может быть использована в приборах научно-технического назначения, предназначенных для определения координат попадания ионизирующих частиц в чувствительные элементы датчика, в т.ч. в системах мониторирования пучков ускорителей, в магнитных спектрометрах, а также для трековых измерений частиц в научных установках.

Изобретение позволяет считывать данные с многоканальных координатно-чувствительных полупроводниковых датчиков ионизирующих излучений, используя число каналов считывания значительно меньшее, чем на самом датчике.

Уровень техники

Многоканальные координатно-чувствительные полупроводниковые датчики ионизирующих излучений на основе кремниевых p-n диодов (а также и иных полупроводников) получили в настоящее время весьма широкое распространение в исследовательской аппаратуре для физики высоких энергий, ядерной физики, при исследовании космических лучей, а также в ряде прикладных задач, связанных с использованием ускорителей частиц.

В настоящий момент работа с такими датчиками невозможна без использования специализированных интегральных микросхем считывания. Подобные микросхемы весьма сложны в разработке и изготовлении, и в России выпускаются в очень ограниченном ассортименте. В этой связи решения, позволяющие радикально уменьшить число электронных каналов считывания и, в некоторых случаях, отказаться от использования сложных интегральных многоканальных усилителей в пользу одиночных усилителей на дискретных элементах (гораздо более распространенных и дешевых), представляются актуальными.

Традиционное решение при работе с многоканальными координатно-чувствительными полупроводниковыми датчиками заключается в считывании сигнала с каждого канала датчика своим усилителем, при этом, как правило, применяются многоканальные усилители в интегральном исполнении. Число каналов в подобной микросхеме может достигать десятков и сотен на одном кристалле, что, при традиционно высоких требованиях к быстродействию и уровню шумов, делает подобные микросхемы крайне сложной и дорогой частью детекторной аппаратуры (Басиладзе С.Г.
“Специализированные интегральные микросхемы для детекторов ионизирующих излучений (Обзор)”, часть: Приборы и техника эксперимента. 2016. № 1. c. 5-60 и часть 2: № 2. c. 5-40).

Заявляемая полезная модель позволяет в широком круге задач уменьшить число каналов считывания многоканального датчика в 15 и более раз без ухудшения его основных характеристик по сравнению с применением многоканальных микросхем.

Наиболее близким к заявляемому решению является микростриповый кремниевый детектор (датчик) ионизирующих частиц, выполненный с возможностью емкостного деления сигналов на межстриповых емкостях (Сандуковский В. Г., Савельев В. И. “Полупроводниковые трековые детекторы”//Физика элекментарных частиц и атомного ядра. – 1991. – Т. 22. – №. 6, см. фиг.1), реализованный в ряде экспериментальных установок физики высоких энергий. Известное устройство представляет собой размещенные на верхней стороне полупроводникового кристалла взаимно изолированные полоски металлических электродов – стрипы детектора, между которыми расположены технологические емкости C_is, работающие как конденсаторы емкостного делителя; кроме того, каждый стрип соединен с задней стороной кристалла емкостью C_b. Детектор снабжен усилителями U₁, U₂, которые подключены к стрипам S₁ и S_N, соответственно, при этом каждый из усилителей имеет входную емкость C_u. Таким образом, все стрипы между S₁ и S_N не подключены к усилителям (являются т.н. “плавающими”) и сигнал с них будет достигать ближайших каналов усилителей справа и слева от сработавшего стрипа (см. фиг.1), перераспределяясь по цепи конденсаторов C_is между соседними стрипами. При этом соотношение сигналов в левом и правом усилителях будет равно отношению расстояний от сработавшего канала до этих усилителей, что позволяет восстановить координату сработавшего “плавающего” стрипа и определить координату попадания частицы (с точностью до шага стрипов). Данное решение предназначено для определенного типа датчиков - микрополосковых (микростриповых) кремниевых датчиков с шагом дискретных элементов (стрипов) 10-100 мкм.

Однако, в данном устройстве, а также в ряде известных из уровня техники приборов максимальное число промежуточных “плавающих” стрипов не превышает шести. В частности, в кремниевом вершинном детекторе эксперимента ALEPH на электрон-позитронном коллайдере (LEP) в европейском Центре Ядерных Исследований (CERN, Швейцария) считывание осуществлялось с каждого четвертого стрипа (Mours B. et al. “The design, construction and performance of the ALEPH silicon vertex detector” //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. – 1996. – Т. 379. –№.1.–С.101-115). Такое ограничение связано с тем, что конденсаторы C_is емкостного делителя реализованы в конструкции самого детектора, а именно, использована емкость, расположенная между металлизацией соседних стрипов (межстриповая емкость), которая технологически не может превышать 1пФ/см. Данный факт нашел отражение в различных публикациях (например: Г.Л. Башинджагян, Н.А. Короткова, “Применение емкостного деления заряда в кремниевых микростриповых детекторах”, Приборы и Техника Эксперимента №3 т. 49 (2006), с. 27), из которых следует, что количество промежуточных “плавающих” стрипов не может превышать 10 в связи с тем, что при увеличении их числа величина сигнала, достигающего усилитель падает, т.к. на каждом шаге деления заряда часть его остается на емкостях C_b стрипов (см. фиг.1) и доля этих потерь велика, т.к. межстриповая емкость технологически ограничена сверху указанной величиной 1пФ/см, а емкость стрипа зависит от шага стрипов и составляет от 0.1пФ/см (для шага стрипов около 50мкм) до единиц пФ/см при шаге в сотни микрометров.

Таким образом, известное решение применимо только для узкого класса кремниевых датчиков – микростриповых датчиков с шагом стрипов не более 100 мкм. И в этих условиях максимальный коэффициент уменьшения числа каналов считывания не превосходит 6 (на каждые 12 каналов приходится 2 считываемых и 10 несчитываемых каналов, расположенных между считываемыми каналами).

Технической проблемой является разработка устройства, реализующего возможность емкостного деления при считывании сигналов с многоканальных полупроводниковых координатно-чувствительных датчиков ионизирующих частиц на основе регулярных матриц p-n переходов произвольной формы (без ограничений на шаг стрипов) с коэффициентом уменьшения числа считываемых каналов 15 и выше без ослабления требований к точности измерений. Это, в свою очередь, позволяет в ряде случаев отказаться от использования сложных специализированных многоканальных считывающих интегральных микросхем, решив поставленную задачу на одноканальных дискретных усилителях.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности считывания данных с многоканальных полупроводниковых координатно-чувствительных датчиков ионизирующих частиц на основе регулярных структур p-n переходов с уменьшением числа каналов считывающей электроники в 15 раз и более от общего числа каналов датчика при сохранении точности измерений, определяемой размерами чувствительных p-n переходов датчика.

Технический результат достигается при осуществлении устройства для определения координаты ионизирующей частицы в М-канальном полупроводниковом датчике ионизирующего излучения на основе регулярных структур p-n переходов. Устройство включает емкостной делитель с емкостями для считывания сигналов с N каналов датчика, имеющего собственные емкости структур p-n переходов C_b, при этом емкостной делитель содержит N-1 емкость C_d, а первая и последняя из этих N-1 емкостей выполнены с возможностью подключения к зарядочувствительным усилителям U₁ и U₂ с входными емкостями C_u. При этом емкостной делитель представляет собой электронную схему, выполненную отдельно от полупроводникового датчика, и включающую набор N-1 последовательно соединенных между собой керамических конденсаторов с емкостями C_d, и соединенных с N каналами датчика, где параметры емкостей C_d, и C_u, выбраны из следующих соотношений:

C_d*C_u / (NC_u+C_d) > 10*C_b ,

δС_d > C_d/N,

где C_d – емкости керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;

δС_d – среднеквадратичное отклонение величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя;

N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;

C_b – емкость структур p-n переходов;

C_u – входная емкость зарядочувствительного усилителя.

В одном из вариантов осуществления полезной модели регулярные структуры p-n переходов выполнены в виде полосковых металлических электродов - каналов, расположенных параллельно.

Координатная чувствительность в заявляемом устройстве достигается при анализе амплитуд сигналов с зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ) на концах предлагаемой схемы.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлена известная из уровня техники схема микрострипового кремниевого детектора, реализующая идею емкостного деления сигналов на межстриповых емкостях; на фиг.2 схематично представлено заявляемое устройство (часть стрипового детектора, содержащего М каналов, из которых N каналов подключены к емкостному делителю), где S₁ – S_N – стрипы детектора, C_is – технологические емкости между металлизацией стрипов, работающие как конденсаторы емкостного делителя (прототип); C_b – емкость структуры детектора (стрипа); U₁, U₂ – усилители, считывающие сигналы со стрипов; C_u – входная емкость усилителя; C_d – емкости внешних керамические конденсаторов схемы емкостного делителя (заявляемое решение). На фиг.3 представлена зависимость восстановленного номера сработавшего стрипа от реально облучаемого номера стрипа, построенная по результатам обработки данных с макета устройства, созданного для исследования работы заявляемой полезной модели.

Осуществление изобретения

В заявляемой полезной модели предлагается решать задачу уменьшения числа каналов считывающей электроники для многоканальных координатно-чувствительных полупроводниковых датчиков с регулярной структурой (например, в виде полос, квадратов, секторов и т.п) с использованием емкостного деления сигнала на внешней по отношению к датчику электронной схеме. Предлагаемая схема представляет собой набор керамических конденсаторов определенной емкости C_d, соединяющих последовательно несколько структур (каналов) многоканального датчика (см. фиг.2). Крайние каналы S₁ и S_N такой цепочки подключены к входам пары зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ), промежуточные каналы - не подключены к усилителям и сигнал с них попадает в усилители через конденсаторы C_d внешней схемы емкостного делителя.

При попадании ионизирующей частицы в один из каналов датчика, сигнал от частицы (заряд) делится на конденсаторах схемы деления и вызывает срабатывание усилителей на концах схемы. Уровни сигналов на выходе усилителей связаны соотношением:

U₁/(U₁+U₂) = (N-n₁)/N (1) ,

где U₁ – сигнал в одном усилителе, U₂ – сигнал в другом усилителе этой схемы делителя, n₁ - число конденсаторов делителя от первого усилителя до структуры, в которую попала частица, и N – число структур (каналов), включенных в схему емкостного делителя. Данное выражение позволяет, измерив U₁ и U₂, определить величину n₁, которая непосредственно определяет место попадания частицы с точностью до размеров структур детектора. Выражение (1) получено в условиях, когда для U₁ и U₂ можно пренебречь потерями заряда на собственных емкостях структур датчика – С_b, также в нем для простоты не учтено влияние входных емкостей усилителей C_u, при этом эти величины существенны для определения оптимальных значений величин конденсаторов в схеме делителя. Чтобы минимизировать потери сигнального заряда на емкостях C_b должно выполняться с соотношение:

C_d*C_u / (NC_u+C_d) > 10*C_b , (2),

где C_d – емкости внешних керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;

N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;

C_b – емкость структур p-n переходов;

C_u – входная емкость зарядочувствительного усилителя.

Таким образом, схема делителя сохраняет работоспособность при следующих условиях:

1. С_d > 10*NC_u и C_u > 10*C_b ,

2. NС_u > 10*C_d и C_d/N > 10*C_b ,

3. С_u ≈ C_d и C_d/N > 10*C_b, и C_d/N > 10*C_{b ,} (С_u ≈ C_d означает, что величины С_u и C_d являются величинами одного порядка).

Также из соотношений (1) и (2) следуют два ограничения на точность значения емкостей конденсаторов в схеме деления и на уровень шумов усилителей:

δС_d > C_d/N, (3)

δU < U₀/N, (4)

где U₀ – ожидаемая величина сигнала в датчике от регистрируемых частиц без учета делителя (фактически U₀=U₁+U₂ – пренебрегая потерями сигнала на C_b); δС_d - средне-квадратичное отклонение (с.к.о.) величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя; δU – с.к.о. уровня выходного сигнала усилителя в отсутствии сигнала от частиц. δU характеризует применяемый усилитель.

Важно отметить, что в предлагаемом устройстве сам делитель не является источником дополнительных шумов в системе.

При использовании элементов повышенной точности с разбросом значений емкостей в 1% условие (3) накладывает ограничение на число каналов в делителе N<100. Условие (3) можно выполнить и при использовании стандартных элементов с разбросом значений емкостей 5% или 10%, проведя отбор конденсаторов делителя по данному значению. Однако в реальном устройстве более жесткое ограничение, как правило, накладывает уровень шумов усилителей δU из соотношения (4).

Следует отметить, что заявляемое устройство может быть реализовано в виде электронной платы с ячейками, охватывающими N структур в датчике, содержащем гораздо большее количество структур (например, число структур в датчике может быть равным 320, число структур в ячейке делителя - 32, количество ячеек для обслуживания всего датчика – 10шт). Таким образом, детектор с большим числом каналов может обслуживаться несколькими устройствами емкостных делителей.

Заявляемая полезная модель была реализована в виде работоспособного макета, который включал:

- координатно-чувствительный стриповый кремниевый датчик размером 65*65мм с шагом стрипов 2 мм и общим количеством стрипов 32; емкость стрипов С_b в рабочем состоянии составила 45-50пФ

- схему емкостного делителя с количеством ячеек-конденсаторов C_d, равным 31 (на один конденсатор меньше по сравнению с количеством подключаемых стрипов датчика), при этом емкости керамических конденсаторов делителя составляли 100 нФ (схема подключения приведена на фиг.2);

- два зарядочувствительных усилителя с входными емкостями ~40 нФ.

В данном устройстве при выборе конденсаторов реализовано соотношение (2): C_u≈40нФ, C_d=100нФ, C_b=45÷50пФ, N=32, N*С_u≈1200нФ > 10C_d=1000нФ и C_d/N = 3нФ > 10C_b = 450÷500пФ.

Выбор параметров конденсаторов делителя в соответствии с условием (2) позволяет включать в схему емкостного делителя большое количество структур датчика, не принимая во внимание потери сигнала на емкостях этих структур, в данном решении это условие легко достигается, т.к. емкости внешних конденсаторов могут варьироваться в широких пределах.

В делителе применены керамические SMD конденсаторы типоразмера 0805 (температурный коэффициент - U2J, максимальное рабочее напряжение - 10В, точность конденсаторов - 5%). Выбор типоразмера конденсатора обусловлен в данном случае хорошим сопряжением размера конденсатора (2мм) и шага стрипов кремниевого датчика – также 2мм. Выбор максимального рабочего напряжения (10В) обусловлен отсутствием в схеме значительных перепадов напряжений, как в статических режимах, так и при прохождении сигнала.

В устройстве 32 канала кремниевого стрипового датчика были подключены к схеме емкостного делителя. Сигналы с усилителей обрабатывались АЦП и записывались в компьютер для анализа. Каналы (структуры) датчика облучались альфа частицами через набор коллиматоров диаметром 0.5мм, фиксирующих поток частиц на одну из 32х структур. Всего облучалось 6 структур, в каждой из которых регистрировали около 1000 частиц. Далее проводили восстановление номера сработавшей структуры, исходя из величин сигналов в концевых усилителях и емкостных параметров делителя. Результат сравнения номера облучаемой структуры и восстановленного номера, а также статистический разброс восстановленного номера для каждой позиции представлены на фиг.3.

По представленным результатам можно сделать вывод, что в макете устройства точность восстановления координаты определяется характеристиками датчика (шагом стрипов), и схема деления не ухудшает координатную точность заявляемого устройства. При этом схема позволила сократить количество каналов считывания с 32 (считывание всех каналов) до 2-х (считывание только с крайних каналов схемы деления).

Изобретение относится к электронным устройствам для считывания данных с датчиков ионизирующих излучений. Устройство для определения координаты ионизирующей частицы в М-канальном полупроводниковом датчике ионизирующего излучения на основе регулярных структур p-n переходов представляет собой набор керамических конденсаторов определенной емкости C_d, соединяющих последовательно несколько каналов полупроводникового многоканального датчика. Крайние каналы такой цепочки подключают к входам пары зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ). Технический результат – уменьшение числа каналов считывающей электроники в 15 раз и более от общего числа каналов датчика при сохранении точности измерений, определяемой размерами чувствительных p-n переходов датчика. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения координаты ионизирующей частицы в М-канальном полупроводниковом датчике ионизирующего излучения на основе регулярных структур p-n переходов, включающее емкостной делитель с емкостями для считывания сигналов с N каналов датчика, имеющего собственные емкости структур p-n переходов C_b, при этом емкостной делитель содержит N-1 емкость C_d, первая и последняя из которых выполнены с возможностью подключения к зарядочувствительным усилителям U₁ и U₂ с входными емкостями C_u, отличающееся тем, что емкостной делитель представляет собой электронную схему, выполненную отдельно от полупроводникового датчика и включающую набор последовательно соединенных между собой керамических конденсаторов с емкостями C_d и соединенных с N каналами датчика, при этом параметры емкостей C_d и C_u, выбраны из следующих соотношений:

C_d*C_u / (NC_u+C_d) > 10*C_b ,

δС_d > C_d/N,

где C_d – емкости керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;

δС_d – среднеквадратичное отклонение величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя;

N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;

C_b – емкости структур p-n переходов;

C_u – входная емкость зарядочувствительного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулярные структуры p-n переходов выполнены в виде полосковых металлических электродов - каналов, расположенных параллельно.