Medipix es una familia de detectores de píxeles de seguimiento de partículas y conteo de fotones desarrollados por una colaboración internacional, organizada por el CERN . [1]
Diseño
Estos son detectores híbridos, ya que una capa de sensor semiconductor está unida a una capa de electrónica de procesamiento.
La capa del sensor es un semiconductor, como el silicio , GaAs o CdTe, en el que la radiación incidente forma un agujero / nube de electrones. Luego, la carga se recoge en los electrodos de píxeles y, a través de enlaces de impacto, se conduce a la capa electrónica CMOS .
La electrónica de píxeles primero amplifica la señal y luego compara la amplitud de la señal con un nivel de discriminación preestablecido (un umbral de energía). El procesamiento de la señal posterior depende del tipo de dispositivo. Un detector Medipix estándar aumenta el contador en el píxel apropiado si la señal está por encima del nivel de discriminación. El dispositivo Medipix también contiene un nivel de discriminación superior y, por lo tanto, solo se pueden aceptar señales dentro de un rango de amplitud (dentro de una ventana de energía).
Los dispositivos Timepix ofrecen dos modos de funcionamiento más además del conteo. El primero es el llamado modo “Tiempo sobre umbral” ( convertidor analógico-digital tipo Wilkinson ). Es un modo en el que el contador de cada píxel registra el número de relojes para los que el pulso permanece por encima del nivel de discriminación. Este número es proporcional a la energía de la radiación detectada. Este modo es útil para aplicaciones de seguimiento de partículas o para imágenes espectrales directas.
El segundo modo del chip Timepix es "Tiempo de llegada", en el que los contadores de píxeles registran el tiempo entre un disparo y la detección de cuantos de radiación con energía por encima del nivel de discriminación. Este modo de funcionamiento se utiliza en aplicaciones de tiempo de vuelo (TOF), por ejemplo, en imágenes de neutrones.
Cada impacto individual de radiación es procesado por la electrónica integrada en cada píxel de esta manera, por lo tanto, el dispositivo podría considerarse como 65 536 detectores de conteo individuales o incluso espectrómetros. Los discriminadores de energía son ajustables. Por lo tanto, el escaneo con su nivel es posible medir el espectro completo de la radiación entrante y, por lo tanto, permite obtener imágenes de rayos X espectroscópicas completas.
Medipix-2, Timepix y Medipix-3 son todos de 256 × 256 píxeles, cada uno de 0.055 mm (55 μm) cuadrados, formando un área total de 14.08 mm × 14.08 mm. Se pueden crear detectores de área más grande uniendo múltiples chips a sensores monolíticos más grandes. Se utilizan habitualmente detectores de tamaños de chips de 2x2 a 2x4. Se podrían crear áreas aún más grandes y sin espacios utilizando la tecnología de sensor sin bordes. Los chips Medipix / Timepix tienen cada uno su propio sensor. Estos conjuntos están colocados uno al lado del otro para crear matrices de detectores de tamaño casi arbitrario (la construcción más grande que utiliza esta tecnología tiene chips de 10x10, por lo tanto, 14x14 cm y 2560x2560 píxeles [2] ).
Tarjeta portadora Medipix estándar de un solo chip con lectura USB.
WidePix 10x10 con resolución de 2560x2560 píxeles (6,5 megapíxeles) y área continuamente sensible.
Comparación con tecnologías existentes
Los detectores de píxeles de conteo de fotones representan la próxima generación de detectores de imágenes de radiación. La tecnología de conteo de fotones supera las limitaciones de los dispositivos de imágenes actuales. La comparación del conteo de fotones con las tecnologías existentes se encuentra en la siguiente tabla:
Emulsiones de película | Cargar dispositivos integradores | Detectores de píxeles de conteo de fotones | |
---|---|---|---|
Principio de funcionamiento | Cambio de propiedades químicas o físicas tras la interacción con la radiación. Necesita un tratamiento especial (proceso de revelado, escaneado,…). | La radiación ionizante genera luz y posteriormente una carga eléctrica que se recoge e integra en píxeles ( CCD , sensores CMOS , Flat Panel ,…). | La radiación ionizante crea carga directamente en el sensor. La carga se compara con el umbral y se cuenta digitalmente en píxeles. |
Ventajas | Muy alta resolución, bajo nivel de ruido, económico. | Alta resolución espacial. Precio bajo. | Buena resolución espacial, alta velocidad de lectura, sin ruido, sin corriente oscura, escala dinámica ilimitada, discriminación de energía |
Desventajas | Respuesta no lineal, escala dinámica limitada, necesita procesamiento | Corriente oscura, ruido, escala dinámica limitada | Precio alto. |
Versiones
Medipix-1 fue el primer dispositivo de la familia Medipix. Tenía 64x64 píxeles de 170 µm de paso. Los píxeles contenían un comparador (umbral) con ajuste de compensación de 3 bits por píxel. El umbral mínimo fue de ~ 5,5 keV. La profundidad del contador fue de 15 bits. La tasa de recuento máxima por píxel fue de 2 MHz por píxel.
Medipix-2 es el sucesor de Medipix-1. El tamaño de los píxeles se redujo a 55 µm y la matriz de píxeles es de 256x256 píxeles. Cada píxel tiene dos niveles de discriminación (umbral superior e inferior), cada uno ajustable individualmente en píxeles utilizando un desplazamiento de 3 bits. La tasa de recuento máxima es de aproximadamente 100 kHz por píxel (sin embargo, en píxeles con un área 9 veces más pequeña en comparación con Medipix-1).
Medipix-2 MXR es una versión mejorada del dispositivo Medipix-2 con mejor estabilidad de temperatura, protección contra desbordamiento del contador de píxeles, mayor dureza de radiación y muchas otras mejoras.
Timepix es un dispositivo que se origina conceptualmente a partir de Medipix-2. Agrega dos modos más a los píxeles, además de contar las señales detectadas: tiempo sobre el umbral (TOT) y tiempo de llegada (TOA). La altura del pulso detectada se registra en el contador de píxeles en el modo TOT. El modo TOA mide el tiempo entre el disparo y la llegada de la radiación a cada píxel.
Medipix-3 es la última generación de dispositivos de conteo de fotones para imágenes de rayos X. El tamaño de píxel sigue siendo el mismo (55 µm), así como el tamaño de la matriz de píxeles (256x256). Tiene una mejor resolución de energía a través de la corrección en tiempo real de la carga compartida. También tiene varios contadores por píxel que se pueden utilizar en varios modos diferentes. Esto permite una lectura continua y hasta ocho umbrales de energía.
Timepix-3 es un sucesor del chip Timepix. Uno de los mayores cambios distintivos es el enfoque de la lectura de datos. Todos los chips anteriores utilizaron la lectura basada en cuadros, es decir, se leyó toda la matriz de píxeles de una vez. Timepix-3 tiene una lectura basada en eventos en la que los valores registrados en píxeles se leen inmediatamente después del impacto junto con las coordenadas del píxel del impacto. Por lo tanto, el chip genera un flujo continuo de datos en lugar de una secuencia de cuadros. La siguiente gran diferencia en comparación con el chip Timepix anterior es la capacidad de medir la amplitud del impacto simultáneamente con la hora de llegada. Otros parámetros como la energía y la resolución de tiempo también se mejoraron en comparación con el chip Timepix original.
Electrónica de lectura
Los datos digitales registrados por los dispositivos Medipix / Timepix se transfieren a una computadora a través de la electrónica de lectura. La electrónica de lectura también es responsable de la configuración y el control de los parámetros del detector. Se desarrollaron varios sistemas de lectura dentro de la colaboración de Medipix
Muros
Muros fue uno de los primeros sistemas de lectura de detectores Medipix. Muros se desarrolló en Nikhef , Amsterdam , Holanda . Era una lectura relativamente compacta que permitía acceder a todas las funciones del detector. Permitía una velocidad de fotogramas máxima de cca 30 fotogramas / s con un solo chip.
interfaz USB
Esta electrónica fue desarrollada en IEAP - CTU , República Checa . Proporciona una velocidad de fotogramas más baja en comparación con Muros, pero la electrónica se integró en una caja no más grande que un paquete de cigarrillos. Además, no se necesitaba una tarjeta de hardware especial para PC como en el caso de Muros. Por lo tanto, la interfaz USB se convirtió rápidamente en la lectura más utilizada dentro de la colaboración de Medipix y sus socios.
Relajado
Relaxd es una electrónica de lectura desarrollada en Nikhef . Los datos se transfieren a la PC a través de una conexión Ethernet de 1 Gbit / s. La velocidad máxima de fotogramas está a un nivel de 100 fotogramas / s.
Fitpix
Fitpix es la próxima generación de la interfaz USB desarrollada por el grupo en Praga. La electrónica implementa la lectura paralela de Medipix / Timepix y, por lo tanto, la velocidad de cuadro máxima alcanza los 850 cuadros / s. También admite la lectura en serie con una velocidad de fotogramas de 100 fotogramas / s.
Minipix
Minipix es un chip integrado miniaturizado + dispositivo electrónico de lectura desarrollado por ADVACAM sro en Praga. Todo el sistema tiene el tamaño de una unidad flash USB . Varios de estos dispositivos se utilizaron en la Estación Espacial Internacional como sistemas de monitoreo de radiación. [3]
Spidr
Spidr es una potente electrónica de lectura para el chip Timepix-3. Está en desarrollo en Nikhef .
Sistemas Excalibur y Merlin
Ambos sistemas están desarrollados en Diamond Light Source , Reino Unido, para lectura y aplicaciones de Medipix3 en sincrotrones. Merlin está disponible con sensores CdTe de Quantum Detectors que están colaborando en un mayor desarrollo con Diamond Light Source.
Sistema LAMBDA
Lambda es un sistema de lectura de área grande (12 chips) de alta velocidad (2000 fps) desarrollado en DESY . Lambda está disponible con opciones de sensor de alta Z, como GaAs (galio-arseniuro) y CdTe (cadmio-telururo).
MARTE
MARS es una lectura Gigabit Ethernet que admite hasta 6 detectores Medipix 2 o Medipix 3. La electrónica se desarrolló en la Universidad de Otago , Christchurch , Nueva Zelanda .
Aplicaciones
Imágenes de rayos X
Las imágenes de rayos X son el campo de aplicación principal de los detectores Medipix. Medipix ofrece al campo de las imágenes de rayos X, en particular, una ventaja en un rango dinámico y una sensibilidad energética más altos. [4] Ejemplos de imágenes de rayos X de campos de aplicación de imágenes de rayos X seleccionados son:
Biología : cucaracha tropical.
Biología : Escarabajo de tierra.
Ensayos no destructivos : muestra compuesta metálica.
Ensayos no destructivos : muestra compuesta de núcleo de papel.
Dosimetría de radiación espacial
Los detectores basados en Timepix de Medipix2 Collaboration han volado en la Estación Espacial Internacional desde 2013, y en la primera prueba de vuelo (EFT-1) del nuevo vehículo de tripulación multipropósito Orion de la NASA en diciembre de 2014. Los planes actuales requieren dispositivos similares para volar como monitores de área de radiación primaria en las futuras misiones Orion tripuladas iniciales.
Otro
Los detectores también pueden encontrar aplicaciones en astronomía , física de alta energía , tratamiento de imágenes médicas , y la espectroscopia de rayos X .
Historia
- Medipix-1: principios de los 90.
- Medipix-2: finales de los 90.
- Medipix-3: Colaboración formada en 2006.
- Medipix-4: Colaboración formada en 2016.
Ver también
Referencias
- ^ "La Editorial" . Mediciones de radiación . 139 : 106483. 2020. doi : 10.1016 / j.radmeas.2020.106483 . ISSN 1350-4487 .
- ^ Cámara Timepix de área grande de 6.5MPix
- ^ "Cámaras ADVACAM". https://advacam.com/minipix . Enlace externo en
|website=
( ayuda ); Falta o vacío|url=
( ayuda ) - ^ Cámara de rayos X
enlaces externos
- Página de inicio de la colaboración de Medipix
- Colaboradores de Medipix3
- Página de Medipix3 en el sitio web de transferencia de conocimientos y tecnología del CERN