Способ сборки супермодулей для детектирования ионизирующего излучения Российский патент 2024 года по МПК G01T1/20 

Область техники:

Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи полупроводниковых координатных супермодулей, содержащих в своем составе сенсоры изготовленные по технологиям принятым в производстве микроэлектронных чипов. Оно может быть применено в различных отраслях:

- в медицинской технике;

- в системах для дистанционного досмотра;

- в физике высоких энергий, например, в координатных детекторах - трекерах для экспериментов на ускорителях на встречных пучках и на линейных ускорителях.

Уровень техники

В настоящее время большое распространение получили координатные сенсоры, предназначенных для построения детекторов, восстанавливающих траекторию пролета заряженных частиц, без существенного поглощения их энергии, изготовленные по технологиям принятым в производстве микроэлектронных чипов. Эти сенсоры имеют на своей поверхности прецизионно взаимно расположенные технологические маркеры, выполненные в одном технологическом процессе со структурой чипа и одним набором инструментов. Такие сенсоры могут иметь точечную (пиксельную) или полосковую (стриповую) топологию детектирующих элементов, и поставляться на сборку единым лотом (партией), имеющую высокую степень точности взаимного расположения элементов на каждом сенсоре, и высокую повторяемость топологии от чипа к чипу в пределах и между лотами.

К координатным сенсорам, также можно отнести сцинтилляционные ячейки калориметров, если предполагается детектировать пространственное распределение поглощения энергии ливней.

При исследовании треков частиц вблизи точки их рождения приходится использовать сенсоры с большой гранулярностью, то есть с большим количеством мелких детектирующих элементов топологии, тем самым увеличивая их разрешающую способность.

В пределах одного сенсорного чипа взаимное расположение детектирующих элементов и технологических маркеров определено с высокой точностью методов фотолитографии. Эта точность выше чем ±1 μm при размерах топологических рисунков порядка 50 μm, как, например, в сенсорах Hamamatsu S13847.

Так как существует необходимость уменьшения количества вещества элементов супермодуля для уменьшения паразитного рассеивания/поглощения продуктов исследуемой реакции, несущая сенсоры конструкция должна быть жесткой и одновременно легкой. Таким требованиям удовлетворяют фермы из углекомпозита, имеющие позиционирующие узлы, предназначенные для размещении супермодулей для последующей их сборки в станцию.

Координаты позиционирующих узлов супермодуля должны быть взаимно увязаны с позициями всех его сенсоров, с тем, чтобы в конечном итоге были определены позиции всех детектирующих элементов, всех сенсоров станции. Для этого важно обеспечить точность их взаимного положения при механической сборке на максимально возможном уровне. Это позволяет упростить начальные условия и тем самым сократить вычислительные мощности при обработке данных поступающих с детектора.

В настоящее время коммерчески доступны измерительные оптические линейки с разрешением 2 μm, а также видеокамеры с микроскопом имеющим достаточное оптическое увеличение для определения границ объекта с точностью 1 μm. Суммарно это позволяет достичь точности размещения в пределах 15 μm, что по видимости можно считать предельно допустимым для механической сборки объектов с линейными размерами порядка 1 м.

Следует отметить, что точность и повторяемость взаимного расположения топологических элементов на чипе (сенсоре) выше точности измерительных оптических линеек, которые могут быть использованы в оптико-механическом сборочном оборудовании. И та и другая точность выше достижимой в механической обработке и сборке, которую следует считать как 10 μm для изделий длинной порядка 1 м, и которую мы хотим достичь.

В нашем случае сенсор, имеющий линейные размеры 62×62 мм², несет на себе детектирующие элементы в 1000 раз меньше своих габаритов. Взаимное расположение детектирующих элементов на разных сенсорах должно быть выполнено с точностью 12-15 мкм, при том что линейные размеры сборки могут достигать размеров в 20 раз больше размеров сенсора, что необходимо для построения широкоаппертурного трекерного детектора.

Известен способ прецизионного размещения сцинтилляционных ячеек в детекторных блоках AHCAL, коллаборации CALICE [Felix Sefkow and Frank Simon On behalf of the CALICE Collaboration "A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype" 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018) IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012]. В этом блоке одинаковые по размеру сцинтилляционные ячейки размером 3×3 см² последовательно размешаются на плоской печатной плате с использованием робота расстановщика, образуя массив с ортогональной сегментацией. Для решаемой задачи, реконструкции пространственного энерговыделения ливня, использование такой технологии сборки детектора позволяет получить достаточную точность, учитывая размеры детектирующего элемента (ячейки), достижимой точности механической обработки и предполагаемой точности их размещения на плате относительно краев сцинтиллятора. В нашем случае линейные размеры детектирующего элемента в 1000 раз меньше и этот способ неприменим.

Также известен патент RU 2776102 «Способ позиционирования сцинтилляционных ячеек в сегментированных детекторах и устройство для его осуществления», опубликован 13.07.22, в котором для прецизионного размещения разных по размеру сцинтилляционных ячеек, в массиве с полярной системой координат, использовалась оснастка в виде решетчатого шаблона. Сцинтилляционные ячейки размещались в соответствующих отверстиях шаблона, который удалялся после полимеризации клея и мог быть использован впоследствии для однотипных сборок.

Заявленная точность изготовления отверстий шаблона составляет ±100 μm и к этому нужно добавить еще точность изготовления самих размещаемых сцинтилляционных ячеек. Следует заметить, что достигнутая точность при изготовлении детекторов этого класса достаточна, так как детектирующим элементом является вся сцинтилляционная ячейка с линейными размерами от 20 до 30 мм. Для наших сенсоров с линейными размерами детектирующего элемента порядка 0,06 мм эта точность недостаточна.

Наиболее близкое техническое решение (прототип) описано в статье S. Mehta, U. Frankenfeld, Н.R. Schmidt, P. Schweigert, С.Simons, О. Vasylyev, and R. Visinka "STS ladder assembly", CBM Progress Report 2018, p26, 27. GSI, Darmstadt, Germany.

Несколько координатных сенсоров заряженных частиц, имеющих на поверхности два или более прецизионно взаимно расположенных технологических маркера приклеивают к несущей их ферме. Ферма выполнена из углекомпозитного материала и имеет позиционирующие узлы. Сенсоры последовательно приклеивают к ферме при помощи L-образных ножек. Предварительно L-образные ножки приклеивают к сенсорам с двух противоположных сторон.

Позиции маркеров, на сенсорах готового супермодуля, измеряются с высокой точностью, тем самым каждый супермодуль сопровождается описанием его геометрии, учитываемым при построении детектирующей станции. Авторы считают, что точность механической сборки достаточна на уровне 100 μm, в то время как шаг позиций детектирующих элементов на сенсоре - 58 μm. По нашему мнению, индивидуальные поправки координат для каждого сенсора способны создать значительную нагрузку на вычислительные мощности при обработке данных с детектора. По этой причине, для упрощения алгоритмов построения треков заряженных частиц имеет смысл добиться максимально достижимой точности на этапах механической сборки сенсоров в детектирующую плоскость.

Сущность изобретения:

Технической задачей изобретения является - повышение точности механической сборки супермодуля для детектирования ионизирующего излучения (далее «супермодуль») (Фиг. 1),

Технический результат достигается за счет того, что: вначале создают таблицу координат реперных точек взаимного положения технологических маркеров сенсоров и позиционирующих узлов фермы; L-ножки приклеивают к боковым граням сенсоров; на жестком основании устанавливают устройство сборки, включающее независимые трехкоординатные позиционеры и указатель координат реперных точек, связанный с компьютером; на независимых трехкоординатных позиционерах размещают все сенсоры и ферму; затем, при помощи указателя координат реперных точек и независимых трехкоординатных позиционеров, прецизионно, последовательно и независимо совмещают все технологические маркеры сенсоров и позиционирующие узлы фермы с реперными точками, заданными табличными координатами; после завершения размещения всех элементов сборки, все L-ножки одновременно приклеивают к длинным сторонам фермы.

Описание фигур:

Фиг. 1. Фотография собранного супермодуля, состоящий из двух сенсоров и фермы.

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

3 - ферма,

4 - позиционирующие узлы фермы

Фиг. 2. Сенсор с технологическими маркерами и совокупность координат точек сборки.

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

6 - технологический маркер,

7 - таблица координат реперных точек взаимного положения технологических маркеров сенсоров и позиционирующих узлов фермы, визуализация на плоскости табличных координат,

8 - одна из реперных точек технологических маркеров,

9 - одна из реперных точек размещения узлов позиционирования фермы, а, b, с, d, е, f - позиции сенсоров для супермодуля содержащего 6 сенсоров.

Фиг. 3. Сенсор с приклеенными L-ножками.

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

5 - противоположные края сенсора предназначенные для приклейки L-ножек. Одна L-ножка показана в процессе приклеивания.

Фиг. 4. Устройство сборки супермодулей

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

10 - основание,

11 - указатель координат реперных точек, перемещаемый в горизонтальной плоскости, 4 - позиционирующие узлы фермы (ферма и позиционеры не показаны),

12 - независимые трехкоординатные позиционеры сенсоров,

13 - органы регулировки положения сенсора по «X», «Y», «ϕ».

Фиг. 5. Процедура последовательного, независимого размещения сенсоров.

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

6 - технологический маркер на поверхности сенсора,

8 - одна из реперных точек технологических маркеров;

9 - одна из реперных точек размещения узлов позиционирования фермы. а, b, с, d, е, f - пример последовательности размещения сенсоров.

Фиг. 6. Нанесение клея

1 - сенсор,

2 - L-ножка,

3 - ферма,

14 - капля клея.

Фиг. 7. Результаты измерений положений технологических маркеров на собранном супермодулей.

1 - сенсор,

6 - технологический маркер,

8 - одна из реперных точек технологических маркеров.

Технологические маркеры выстроены вдоль одной оси. Координата «Y» показывает реальное отклонение каждого из 5-ти маркеров. Максимальное взаимное отклонение не превышает 12 мкм, на120 мм.

Осуществление изобретения.

Вначале создают таблицу координат реперных точек взаимного положения технологических маркеров сенсоров и позиционирующих узлов фермы (7); (Фиг. 2); Таблица получена путем вычислений координат расположения всех точек сборки и является идеалом к которому нужно стремиться.

L-ножки (2) приклеивают к боковым граням сенсоров (1); (Фиг. 3); Эта операция выполняется до закрепления каждого из сенсоров на трехкоординатном позиционере и ее желательно выполнить мягким эластичным клеем, для избежания сколов краев сенсора (5).

На жестком основании (10) устанавливают устройство сборки, включающее независимые трехкоординатные позиционеры сенсоров (12) и указатель координат реперных точек (11), связанный с компьютером (Фиг. 4). Основание должно быть жестким для исключения влияния внешних сил на оснастку и элементы сборки во время работы.

На независимых трехкоординатных позиционерах (12) размещают все сенсоры (1) и ферму (3); затем, при помощи указателя координат реперных точек (11) и независимых трехкоординатных позиционеров сенсоров (12), прецизионно, последовательно и независимо совмещают все технологические маркеры сенсоров (6) и позиционирующие узлы фермы (4) с соответствующими им реперными точками (8, 9), заданными табличными координатами (7); (Фиг. 5) Независимые трехкоординатные позиционеры (12) позволяют независимо изменять положение установленных на них сенсоров (1) в процессе их размещения при помощи органов регулировки положения сенсора по «X», «Y», «ϕ» (13). Указатель координат реперных точек (11) показывает, по требованию оператора, положение любой реперной точки (8, 9) из таблицы координат (7). Одномоментно указатель координат реперных точек (11) показывает одну реперную точку, поэтому размещение двух технологических маркеров (6) одного сенсора или позиционирующих узлов фермы (4) носит итерационный характер. Компьютер управляет перемещениями указателя координат реперных точек (11) и распознает технологические маркеры (6) и позиционирующие узлы фермы (4) размещаемых элементов для контроля оператором расхождения координат в процессе сборки.

После завершения размещения всех элементов сборки, все L-ножки (2) одновременно приклеивают к длинным сторонам фермы (3). Полимеризация клея (14) в одном процессе должна позволить взаимно компенсировать усадочные напряжения в клеевых швах, тем самым избежать упругих деформаций элементов (Фиг. 6).

Такая последовательность операций позволяет сохранить взаимное положение элементов супермодуля после снятия его с устройства.

Способ сборки супермодулей позволяет последовательно разместить несколько сенсоров и несущую их ферму для последующей склейки так, что их взаимное расположение будет определено с точностью, ограниченной только свойствами устройства для сборки и аккуратностью оператора. В прототипе точность сборки зависит от точности механической резки края сенсоров и качества оснастки в виде механических шаблонов. Дальнейшее повышение точности работы прототипа связано с компьютерными алгоритмами исправления координат и требует дополнительной вычислительной мощности. По сравнению с достижимой точностью работы механизмов устройства сборки, точность взаимного расположения технологических маркеров в пределах сенсора можно считать идеальной, а используемые в устройстве сборки оптические линейки и специальные алгоритмы перемещений указателя повышают точность сборочного процесса.

Пример результата измерений положения технологических маркеров на собранном супермодуле, приведен на Фиг. 7. Эта фигура представляет собой фотографии пяти технологических маркеров (6) с соответствующими им реперными точками (8). Эти технологические маркеры расположены на двух сенсорах (1) а реперные точки (8) выстроены вдоль одной оси. Расстояние между крайними технологическими маркерами (6) - 120 мм. Под каждым фото показаны измеренные поперечные отклонения позиции технологического маркера (6) от оси, которые не превышают 12 мкм.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующего излучения. Для осуществления способа сборки супермодулей для детектирования ионизирующего излучения вначале создают таблицу координат реперных точек взаимного положения технологических маркеров сенсоров и позиционирующих узлов несущей фермы. L-ножки приклеивают к боковым граням сенсоров. На жестком основании устанавливают устройство сборки, включающее независимые трехкоординатные позиционеры и указатель координат реперных точек, связанный с компьютером. На трехкоординатных позиционерах размещают все сенсоры и ферму. При помощи указателя и трехкоординатных позиционеров прецизионно, последовательно и независимо совмещают все технологические маркеры сенсоров и позиционирующие узлы фермы с реперными точками, заданными табличными координатами. После завершения размещения всех элементов сборки все L-ножки одновременно приклеивают к длинным сторонам фермы. Технический результат - повышение точности механической сборки супермодуля. 7 ил.

Способ сборки супермодулей для детектирования ионизирующего излучения, включающий приклеивание координатных сенсоров заряженных частиц, имеющих на поверхности два или более прецизионно взаимно расположенных технологических маркера, к несущей их ферме, имеющей позиционирующие узлы, при помощи L-образных ножек; при этом L-образные ножки приклеивают к сенсорам с двух противоположных сторон, отличающийся тем, что вначале создают таблицу координат реперных точек взаимного положения технологических маркеров сенсоров и позиционирующих узлов фермы; L-ножки приклеивают к боковым граням сенсоров; на жестком основании устанавливают устройство сборки, включающее независимые трехкоординатные позиционеры и указатель координат реперных точек, связанный с компьютером; на трехкоординатных позиционерах размещают все сенсоры и ферму; затем, при помощи указателя и трехкоординатных позиционеров, прецизионно, последовательно и независимо совмещают все технологические маркеры сенсоров и позиционирующие узлы фермы с реперными точками, заданными табличными координатами; после завершения размещения всех элементов сборки все L-ножки одновременно приклеивают к длинным сторонам фермы.