Ирина Колмакова

Опыт и качество разработок — на службе физики высоких энергий

Фирма Hamamatsu является признанным лидером в производстве приборов для генерирования и измерения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Изделия Hamamatsu включают фотоумножители (ФЭУ), источники света для научного применения, приемники изображений и другие. Сегодня мы хотим познакомить читателей с новейшими разработками фирмы Hamamatsu.

Благодаря своим достижениям в области технологий производства оптических датчиков Hamamatsu была выбрана в качестве поставщика приборов для научных экспериментов в области физики высоких энергий, которые проводятся сейчас в Европейской лаборатории элементарных частиц (CERN) на так называемой установке LHC (большой адронный коллайдер).

Одна из главных экспериментальных камер, монтируемых на установке, переназначена для эксперимента АТЛАС. В этом эксперименте задействовано более 1850 ученых из 150 различных академических учреждений со всего мира. На установке LHC физики собираются изучать протон-протонные взаимодействия с целью углубления познаний в области фундаментальной структуры материи. Основная цель эксперимента АТЛАС — более полно понять природу массы.

Сердцем эксперимента АТЛАС является внутренний трековый детектор, регистрирующий прохождение частиц, родившихся в протон-протонных взаимодействиях. Часть этого внутреннего трекового детектора — полупроводниковый трековый детектор (SCT, Semi-Conductor Tracker), содержащий в общей сложности более 20 тыс. кремниевых микрополосковых детекторов, бoльшую часть которых изготовит Hamamatsu. Особенно сложным моментом в разработке датчиков является высокий уровень излучения в экспериментальной камере АТЛАС и очень короткое время (25 наносекунд) между моментами пересечения луча. Проект осуществляется при поддержке Исследовательского совета по астрономии и физике элементарных частиц и является самым большим из тех, с которыми сейчас работают британские физики, в том числе сотрудники 10 университетских факультетов и Лаборатории Резерфорда. Британская группа будет отвечать за приобретение и монтаж примерно четверти SCT. Примерно такая же часть работы приходится еще на две большие группы — швейцарскую (CERN) и японскую (KEK).

Конструкция кремниевых микрополосковых детекторов разрабатывалась и испытывалась с участием многих промышленных компаний в течение нескольких лет, чтобы удовлетворить жестким требованиям LTC. Hamamatsu выиграла тендер на поставку SCT-детекторов, который проводился в 1999 г., и заключила контракты с Лабораторией Резерфорда, CERN и КЕК.

Рис. 1. SCT-модуль, содержащий 4 детектора Hamamatsu; 2 на верхней поверхности и 2 — внизу, повернуты на некоторый угол. На мостике над детектором видны 6 заказных ИС

Сейчас в счет заказа уже поставлены первые детекторы, и их испытания завершились успешно. На рис. 1 показаны детекторы, собранные в один из первых SCT-модулей.

Фотоумножитель диаметром 13 дюймов R8005

Фотоумножители широко применяются в физике элементарных частиц, в частности в нейтринных экспериментах, где от них требуются такие характеристики, как большая площадь фотокатода, быстродействие, высокая стабильность и низкий темновой ток.

Новая модель R8005 удовлетворяет всем этим требованиям. Она представляет собой полусферический ФЭУ с эффективным диаметром 13 дюймов, 10 каскадами усиления и временем переходной характеристики 2,8 нс (измененной с порогом детектирования 0,25 p. e.). При напряжении 1500 В (макс. 2200 В) обеспечивает коэффициент усиления 1х107 и отношение пика к паузе для одиночного фотоэлектрона 2,7 (См. табл. 1).

Таблица 1

Взгляд на неразрушающие испытания (НРИ) в новом тысячелетии

Национальные и международные стандарты качества, например ISO 9000, требуют от руководства компаний организации системы контроля качества, определяющей все действия компании, влияющие на качество продукции, в том числе НРИ.

Там, где появляются новые материалы или новые методы разработки, НРИ весьма важны для контроля в процессе эксплуатации: все чаще электростанции, нефтехимические предприятия, самолеты проектируются в одной стране, а строятся в другой, при этом оборудование и сырье приобретается по всему миру.

Рис. 2.

Прошедшая 15-я Международная конференция по неразрушающим испытаниям (Рим, 15–21 октября 2000 г.) показала увеличившиеся значения НРИ и областей их применения. В преддверии конференции компания Hamamatsu расширила линейку своих изделий и предлагает полный спектр устройств для применений в области неразрушающих рентгеноскопических испытаний.

При рентгеноскопическом анализе увеличение и разрешение определяются размером фокального пятна источника излучения. Hamamatsu может предложить микрофокальные источники различного типа с диаметром фокального пятна от 5 мкм (на низких уровнях мощности рентгеновского излучения) до 50 мкм.

Выпускается также компактный источник рентгеновского излучения (C4870), в который входят рентгеновская трубка для мягкого диапазона, работающая в режиме проходящего излучения (transmission mode), и высоковольтный источник питания. Источник рентгеновского излучения не требует сложной экранировки, поскольку трубка питается низким напряжением — 9,5 кВ. Это делает C4870 хорошим выбором для измерения толщины и распределения осажденных из паровой фазы пленок, особенно для пластиков.

Материал мишени можно выбирать из следующих: как стандартные материалы предлагаются титан, кальций, вольфрам и медь и в зависимости от требуемых характеристик рентгеновского излучения — никель, железо и хром.

Для двухмерных рентгеновских приемников Hamamatsu представляет новейшее устройство отображения рентгеновских изображений — «плоскопанельный» сенсор типа C7410, формирующий высококачественное изображение на телевизионной частоте. Это устройство является ключевым компонентом цифровых систем получения изображения в таких областях, как неразрушающие испытания и биомедицинский анализ. Основные технические характеристики C7410:

Начав с обычного ПЗС-кристалла, Hamamatsu закончила создание нового рентгеноскопического модуля размером 5х5 см. Модуль H7586 состоит из рентгеночувствительного сцинтиллятора, нанесенного на волоконно-оптический фокон с масштабированием 1:4, непосредственно сочлененным с ПЗС формата 512х492. Благодаря такому решению получение рентгеновских изображений с высоким разрешением (5 пар линий/мм) стало столь же простым делом, как и использование обычного ПЗС-приемника. Помимо этого простого модуля, Hamamatsu предлагает законченное решение — серию C6086 с прямым сочленением со сцинтиллятором. В этих камерах возможна интеграция функций на уровне кристалла и можно применять такие операции, как накопление изображений, вычитание фона или пространственная фильтрация. Более того, в новой рентгеновской гибридной ПЗС-камере C6086-30 используется сочленение усилителя яркости с фоконом.

Для восстановления томографического изображения прохождение рентгеновских лучей через объект обрабатывается в компьютере.

Таблица 2

Односекционные ПЗС с четырехкаскадным охладителем Пельтье S7017/S7847

Опираясь на свой опыт в производстве высококачественных ПЗС, компания Hamamatsu приступила к выпуску односекционных ПЗС с освещением с фронтальной стороны и четырехкаскадным термоэлектронным охладителем. Hamamatsu представляет ПЗС типа S7017 для применения в стандартном спектральном диапазоне и ПЗС типа S7847 с расширенным диапазоном ИК-чувствительности (700–1200 нм).

В этих двух типах ПЗС получено охлаждение кристалла до –70 °С при использовании принудительного обдува герметичного корпуса вместо осушенной атмосферы. Благодаря этому они проще в обслуживании и в большей степени соответствуют промышленным требованиям. Охлаждение существенно снижает темновой ток, составляющий при комнатной температуре примерно 1000 электронов на ячейку в секунду (e-/яч./с). При охлаждении до –70 °С ток падает до примерно 0,003 e-/яч./с для ПЗС стандартного типа и 0,03 e-/яч./с — для ПЗС с увеличенной ИК-чувствительностью.

Время накопления при необходимости может быть легко увеличено с нескольких часов до одних суток без ухудшения отношения сигнал/шум.

Для прибора S7847 (с увеличенной ИК-чувствительностью) шум в 10 раз выше, чем у S7017 (стандартная версия), но квантовая эффективность на 900 нм составляет 40 % вместо 15 % для стандартного прибора.

Оба прибора имеют широкий динамический диапазон (75 000 в режиме биннирования и 37 500 в режиме полного разрешения) и низкий шум считывания (менее 12 e-). Приборы разработаны в двух версиях — 1024х124 и 1024х256 элементов при размере элемента 24 х 24 мкм2. Эти ПЗС предназначены для научного применения при низком уровне освещенности. Для работы при низкой облученности в ИК-области, например в Раман-спектроскопии, очень хорошо подходят односекционные ПЗС, такие как S7847.

Режим биннирования чаще всего используется в области спектроскопии, однако эти ПЗС могут использоваться и в режиме полного разрешения, особенно хорошо подходящем для астронимических задач, где требуется длительное время накопления.

Таблица 3

Рис.3

Односекционные ПЗС с освещением с обратной стороны подложки для высокоскоростного применения S7960/S7961-1008

Эти односекционные ПЗС разработаны специально для высокоскоростных пременений, за счет использования широкополосных выходных усилителей и низкоомных металлических межсоединений. Устройства имеют широкий спектральный диапазон.

Работа в режиме биннирования позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум и скорость обработки сигнала изображения. При работе с полным разрешением прибор можно использовать в высокоскоростных камерах. Размер элемента — 24х24 мкм2.

В корпус вмонтирован встроенный однокаскадный охладитель Пельтье (S7961-1008), и поскольку корпус прибора герметичен, не требуется специальной осушенной атмосферы. Квантовая эффективность более 90 %. Имеется быстродействующий усилитель на кристалле ПЗС.

Односекционные ПЗС применяются в высокоскоростной спектрометрии, высокоскоростной УФ-съемке, а также в оптических и спектрометрических анализаторах.

Таблица 4

Односекционные приемники изображений на ПЗС для научного применения S7963, S7964, S7965

Серия односекционных приемников изображения с фоточувствительной областью малого размера отличается низким уровнем шума и низким темновым сигналом при работе в режиме MPP (фиксации поверхностного потенциала под всеми тактовыми электродами). Это позволяет регистрировать изображения при малых уровнях и длительном времени накопления, достигая тем самым широкого динамического диапазона. Работа в режиме биннирования строк и/или суммирования элементов позволяет значительно улучшить отношение сигнал/шум. Благодаря малошумящему выходному усилителю ПЗС сочетание полного биннирования и полного суммирования обеспечивает очень низкий шум считывания. Встроенный в корпус трехкаскадный охладитель Пельтье охлаждает кристалл до –50 °С при наружной температуре, равной комнатной.

ПЗС работают в режиме МРР. Квантовая эффективность составляет 90 %.

Устройства применяются для регистрации изображений при слабой освещенности, съемки с малым размером изображения и для работы в УФ-диапазоне.

Таблица 5

Новые игольчатые экраны CsI (TI) для детектирования ренгеновских изображений ACS, ALS

Опыт Hamamatsu по осаждению CsI на различные подложки использован для выпуска двух новых изделий с особыми свойствами.

ACS (аморфный углерод с добавками сцинтиллятора) особенно хорошо подходит для работы в тех случаях, когда требуется высокое разрешение. Его пропускание в рентгеновском диапазоне при низких энергиях (10–15 кэВ) значительно превосходит этот показатель для других подложек, что делает его хорошим решением для применения в мягкой рентгеноскопии, например в маммографии.

ALS (алюминий с добавками сцинтиллятора) отличается высоким выходом по свету в сочетании с хорошим разрешением.

Оба типа подложек покрыты CsI (TI) и по сравнению с экранами Гадокс (на основе окиси гадолиния) или пленками имеют благодаря высокой тормозной способности, превосходную дифференциальную квантовую эффективность (ДКЭ). Толщина покрытия CsI и размер ACS/ALS (до квадрата размером 17 на 17 дюймов) могут подбираться по требованию заказчика.

овое поколение рентгеновских экранов в основном предназначено как для медицины, так и для сектора неразрушающих испытаний. Экраны защищены от воздействия влаги специальной защитной пленкой, что гарантирует высокие параметры в течение длительного времени. Кроме того, экраны имеют следующие специфические преимущества:

Рис.4

Современный уровень камер сверхскоростной съемки

Стрик-камеры — самые важные устройства при измерении сверхкоротких световых сигналов с пикосекундным и фемтосекундным разрешением. С помощью стрик-камеры, сочлененной с выходной щелью спектрофотометра, можно измерять спектральный состав и длительность импульсов света. За исключением автокорреляторов (для которых требуется априорная информация о форме сигнала), ни один из коммерческих приборов не обеспечивает лучшего временного разрешения, чем стрик-камеры.

Основные области применения:

Рис.5

kolmakova@yeint.spb.ru (Ирина Колмакова)
ЮЕ-Интернейшнл,
Санкт-Петербург,
Торжковская ул., д.5, Офис 426
Тел./факс: (812) 324-40 53,
324-4068, 324-4008, 324-4051
ye@yeint.spb.ru, www.yeint.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы