УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ ЧАСТИЦЫ В МНОГОКАНАЛЬНОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДАТЧИКЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR DETERMINING THE COORDINATE OF AN IONIZING PARTICLE IN A MULTICHANNEL SEMICONDUCTOR IONIZING RADIATION SENSOR

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.
is
b
1
2
1
N
u
1
N
is
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, работающие как конденсаторы емкостного делителя; кроме того, каждый стрип соединен с задней стороной кристалла емкостью C. Детектор снабжен усилителями U, U, которые подключены к стрипам SиS, соответственно, при этом каждый из усилителей имеет входную емкость C. Таким образом, все стрипы между S и S 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 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.
is
b
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 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 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.
b
d
1
2
u
d
d
u
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, при этом емкостной делитель содержит N-1 емкость C, а первая и последняя из этих N-1 емкостей выполнены с возможностью подключения к зарядочувствительным усилителям U и  U  с входными емкостями C. 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, и соединенных с N каналами датчика, где параметры емкостей C, и C, выбраны из следующих соотношений:
d
u
u
d
b
C*C / (NC+C) > 10*C ,
d
d
δС > C/N,
d
где C – емкости керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;
d
δС– среднеквадратичное отклонение величин емкостей конденсаторов в схеме емкостного делителя;
N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;
b
C – емкость структур p-n переходов;
u
C – 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
1
N
is
b
1
2
u
d
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 S – S – стрипы детектора, C – технологические емкости между металлизацией стрипов, работающие как конденсаторы емкостного делителя (прототип); C – емкость структуры детектора (стрипа); U, U – усилители, считывающие сигналы со стрипов; C – входная емкость усилителя; C – 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
d
1
N
d
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, соединяющих последовательно несколько структур (каналов) многоканального датчика (см. фиг.2). Крайние каналы S и S 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 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:
1
1
2
1
U/(U+U) = (N-n)/N                                             (1) ,
1
2
1
1
2
1
1
2
b
u
b
где U – сигнал в одном усилителе, U – сигнал в другом усилителе этой схемы делителя, n - 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 U и U, определить величину n, которая непосредственно определяет место попадания частицы с точностью до размеров структур детектора. Выражение (1) получено в условиях, когда для U и U можно пренебречь потерями заряда на собственных емкостях структур датчика – С, также в нем для простоты не учтено влияние входных емкостей усилителей C, при этом эти величины существенны для определения оптимальных значений величин конденсаторов в схеме делителя. Чтобы минимизировать потери сигнального заряда на емкостях C должно выполняться с соотношение:
d
u
u
d
b
C*C / (NC+C) > 10*C ,                                      (2),
d
где C – емкости внешних керамических конденсаторов схемы емкостного делителя;
N – число каналов датчика, подключенных к емкостному делителю;
b
C – емкость структур p-n переходов;
u
C – входная емкость зарядочувствительного усилителя.
Таким образом, схема делителя сохраняет работоспособность при следующих условиях:
d
u
u
b
1. С > 10*NC и C > 10*C ,
u
d
d
b
2. NС > 10*C и C/N > 10*C ,
u
d
d
b
d
b ,
u
d
u
d
3. С ≈ C и C/N > 10*C, и C/N > 10*C(С ≈ C  означает, что величины С и C 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:
d
d
δС > C/N,                                                    (3)
0
δU < U/N,                                                     (4)
0
0
1
2
b
d
где U – ожидаемая величина сигнала в датчике от регистрируемых частиц без учета делителя (фактически U=U+U – пренебрегая потерями сигнала на C); δС- 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:
b
- координатно-чувствительный стриповый кремниевый датчик размером 65*65мм  с шагом стрипов 2 мм и общим количеством стрипов 32; емкость стрипов С в рабочем состоянии составила 45-50пФ
d
- схему емкостного делителя с количеством ячеек-конденсаторов C,  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.
u
d
b
u
d
d
b
В данном устройстве при выборе конденсаторов реализовано соотношение (2): C≈40нФ, C=100нФ, C=45÷50пФ, N=32,  N*С≈1200нФ > 10C=1000нФ и C/N = 3нФ > 10C= 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).