МОДУЛЬ ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ
RADIATION DETECTOR MODULE AT QUANTUM POINTS WITH AUTONOMOUS POWER SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к модулю многослойного детектора излучения и, в частности, к детектору излучения из пористого кремния (ПК) на квантовых точках (КТ) (ПК КТ детектор излучения) с автономным электропитанием, выполненному с возможностью использования в удаленных беспилотных наземных и небесных объектах.
Уровень техники
Современные детекторы излучения в основном состоят из кристаллических или гранатовых сцинтилляторов, устанавливаемых непосредственно на твердотельные фотодетекторы, такие как фотодиоды. Материал сцинтиллятора производит световые фотоны в ответ на бомбардировку рентгеновскими фотонами, которые затем преобразуются в электрические токи или импульсы в фотодетекторе. Для детекторов излучения также используют материалы прямого преобразования энергии со спектральным выделением из теллурида цинка-кадмия (CZT) или теллурида кадмия (CdTe). В последнее время исследования в области наночастиц привели к появлению многообещающей новой технологии в детекторах излучения, а именно квантовых точек (КТ), внедренных в пористый кремний (ПК) для одновременного повышения производительности и снижения стоимости.
Удаленные беспилотные наземные и космические детекторы излучения с малым энергопотреблением могут быть выполнены с батареей или аналогичным устройством для питания. Однако батарея имеет время работы (т.е. промежуток времени, в течение которого первоначальный заряд падает до уровня, недостаточного для обеспечения рабочего заряда детекторов излучения), по истечении которого батарее необходима перезарядка (в случае перезаряжаемой батареи, которая еще способна быть заряжена до достаточного уровня) и/или замена (в случае неперезаряжаемой батареи или батареи, которая больше не может быть заряжена до достаточного уровня). Кроме того, данные узлы имеют большую массу и габариты. К сожалению, перезарядка и/или замена таких батарей в удаленных беспилотных наземных и космических установках и/или батарей большой массы и габаритов невозможна.
Раскрытие сущности изобретения
Аспекты, раскрытые в настоящем документе устраняют вышеуказанные и другие проблемы.
В одном аспекте детектор излучения включает в себя фотоэлектрический слой с первой и второй противоположными сторонами. Фотоэлектрический слой выполнен с возможностью поглощения первого излучения на первой стороне и генерирования электрического заряда. Детектор также включает в себя слой пористого кремния с квантовыми точками, расположенный на второй стороне фотоэлектрического слоя и выполненный с возможностью приема второго излучения, а затем преобразования принятого второго излучения в электрический сигнал, указывающий уровень энергии принятого второго излучения. Детектор также включает в себя слой сбора и передачи, расположенный рядом со слоем пористого кремния с квантовыми точками, и выполненный с возможностью приема электрического сигнала и передачи электрического сигнала на устройство, удаленное от детектора излучения. Детектор также включает в себя слой накопления энергии, расположенный рядом со слоем сбора и передачи и выполненный с возможностью накопления электрического заряда и подведения накопленного электрического заряда в качестве рабочей мощности к слою сбора и передачи.
В другом аспекте система детектирования и обработки излучения включает в себя беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения и устройство обработки. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения включает в себя фотоэлектрический слой с квантовыми точками, выполненный с возможностью поглощения первого излучения и генерирования электрического заряда. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой накопления энергии, выполненный с возможностью накопления электрического заряда. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой пористого кремния с квантовыми точками, выполненный с возможностью приема второго излучения и генерирования электрического сигнала, указывающего на принятое второе излучение. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой сбора и передачи, питаемый накопленным зарядом и выполненный с возможностью измерения электрического сигнала и передачи результатов измерения от модуля детектирования. Устройство обработки выполнено с возможностью приема и обработки результатов измерения, при этом устройство обработки удалено от беспилотного наземного или небесного модуля детектирования излучения.
В другом аспекте способ включает в себя прием, с помощью фотоэлектрического слоя детектора излучения, первого излучения. Способ также включает в себя преобразование, с помощью фотоэлектрического слоя, принятого первого излучения в электрический заряд. Способ также включает в себя накопление электрического заряда в слое накопления энергии детектора излучения. Способ также включает в себя питание слоя сбора и передачи детектора излучения накопленным электрическим зарядом. Способ также включает в себя измерение, с помощью питаемого слоя сбора и передачи детектора излучения, электрического сигнала, генерируемого слоем пористого кремния с квантовыми точками в ответ на поглощение слоем пористого кремния с квантовыми точками второго излучения, и генерирование электрического сигнала, который указывает поглощенное второе излучение. Способ также включает в себя передачу, с помощью слоя сбора и передачи, данных, указывающих измеренный сигнал, от детектора излучения. В одном случае данные (которые могут быть необработанными и/или обработанными результатами измерения) обрабатывают устройством, удаленным от детектора. Следует отметить, что фотоэлектрический слой также может быть добавлен к нескольким сторонам куба или к трехмерному (3-D) модулю для увеличения поглощения энергии.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения будут оценены специалистами в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение может иметь форму различных компонентов и комбинаций компонентов, а также различных этапов и комбинаций этапов. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не предназначены для ограничения изобретения.
На фиг. 1 схематично показан разнесенный вид в аксонометрии примерных слоев на примере ПК КТ детектора излучения с автономным электропитанием для питания компонентов ПК КТ детектора излучения.
На фиг. 2 схематично показан вид спереди примерных слоев на примере ПК КТ детектора излучения, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 схематично показан неограничивающий пример ПК КТ детектора излучения.
На фиг. 4 схематично показан пример взаимодействия между квантовыми точками и кремнием в ПК КТ детекторе излучения, показанном на фиг.3, для преобразования принятого излучения в электрический заряд.
На фиг. 5 показан пример системы детектирования и обработки излучения, которая включает в себя ПК КТ детектор излучения, показанный на фиг. 1-4, для использования в беспилотных наземных и/или небесных объектах.
На фиг. 6 показан пример способа в соответствии с вариантом (вариантами) осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Далее, в общем, описан детектор излучения, выполненный с КТ слоем преобразования излучения, со слоем сбора и передачи данных, с КТ фотоэлектрическим слоем, генерирующим заряд, со слоем накопления энергии, который накапливает заряд и подводит накопленный заряд к слою сбора и передачи данных для измерения заряда, генерируемого КТ слоем преобразования, и считывания сигналов, указывающих этот заряд. В одном из случаев данный КТ ПК детектор излучения выполнен как автономный (т.е. «самопитаемый»), маломощный и компактный блок для дистанционного детектирования и передачи данных в беспилотных наземных и/или космических объектах.
На фиг. 1 и фиг. 2 схематически показан пример детектора 100 излучения, такого как ПК КТ детектор излучения. На фиг.1 схематически изображен разнесенный вид в аксонометрии отдельных слоев, показанных в виде плоскостей, а на фиг. 2 схематически изображен вид спереди с отдельными слоями, показанными в виде блоков. Эти иллюстрации предназначены для пояснительных целей и не являются ограничивающими. Например, относительная форма, размер, геометрия и т.д. одного или более слоев в данном примере не являются ограничивающими и могут иметь другую форму, размер, геометрию и т.д. В общем, в некоторых случаях форма, размер, геометрия и т.д. зависят от конкретного применения. В одном варианте детектор может включать в себя больше или меньше слоев. Кроме того, один или более слоев могут быть слоями кремния и/или другими слоями.
Проиллюстрированный ПК КТ детектор 100 излучения включает в себя по меньшей мере КТ фотоэлектрический слой 102, ПК КТ слой 104, слой 106 сбора и передачи, и слой 108 накопления энергии. Неограничивающий пример квантовых точек (КТ) и КТ детекторов излучения раскрыт в заявке на патент ЕР 14186022.1, озаглавленной "Инкапсулированные материалы в пористых частицах", поданной 23 сентября 2014 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки, и в заявке на патент WO 2017/025888 А1, озаглавленной "Визуализирующий детектор на основе квантовых точек", поданной 8 августа 2016 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.
КТ фотоэлектрический слой 102 выполнен с возможностью поглощения конкретного излучения и генерирования фотоэлектрического заряда в ответ на излучение. ПК КТ слой 104 выполнен с возможностью поглощения конкретного излучения и генерирования электрического сигнала, указывающего электрическую энергию поглощенного излучения. Квантовые точки в порах пористого кремния взаимодействует с кремнием для преобразования излучения в заряд через генерацию и разделение электронно-дырочной пары. Слой 106 сбора и передачи выполнен с возможностью измерения электрического сигнала и направления данных, указывающих данный сигнал от детектора излучения. Слой 108 накопления энергии накапливает фотоэлектрический заряд и подводит рабочую мощность к слою 106 сбора и передачи. Накопленный заряд может также быть использован для питания других устройств, требующих электропитания.
Примерный детектор 100 излучения может быть заключен в капсулу, например, светопрозрачное покрытие, пленку, кожух и т.д. ПК КТ детектор 100 излучения может быть использован отдельно (как показано на фигуре) или с одним или более другими ПК КТ детекторами 100 излучения и/или другими детекторами излучения, например, в модуле или иным образом. ПК КТ детектор излучения хорошо подходит для таких областей применения, как беспилотные наземные или космические объекты и/или другие объекты, в которых перезарядка слоя 108 накопления энергии невозможна, а КТ фотоэлектрический слой 102 генерирует заряд, достаточный для рабочей мощности. Другие применения также подразумеваются в настоящем документе.
На фиг. 1 КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой верхний слой по отношению к направлению падающего излучения. В одном варианте КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой нижний слой, т.е. находящийся ниже слоя 108 накопления энергии. В другом варианте КТ фотоэлектрический слой 102 проходит вертикально относительно ПК КТ слоя 104, слоя 106 сбора и передачи и слоя 108 накопления энергии, вдоль стороны (например, слева, сзади, справа, спереди) одного или более из ПК КТ слоя 104, слоя 106 сбора и передачи и слоя 108 накопления энергии. В другом варианте детектор 100 излучения включает в себя несколько КТ фотоэлектрических слоев 102 с одной или более сторон (например, сверху, снизу, слева, сзади, справа, спереди) детектора 100 излучения, включая одну и ту же сторону и/или разные стороны. В одном примере дополнительные КТ фотоэлектрические слои увеличивают поглощение энергии.
На фиг. 3 схематично показан неограничивающий пример ПК КТ детектора 100 излучения, изображенного на фиг. 1 и фиг. 2. Следует понимать, что размер, форма и т.д. предназначены для пояснительных целей и не являются ограничивающими.
КТ фотоэлектрический слой 102 включает в себя прозрачную для излучения подложку 302, КТ поглощающий фотоэлектрический материал 304, электропроводящий контакт 306. КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой более тонкий слой по сравнению с ПК КТ слоем 104. КТ фотоэлектрический слой 102 выполнен с возможностью поглощения излучения и, в ответ на это, генерирования фотоэлектрической энергии. Проиллюстрированный КТ фотоэлектрический слой 102 включает в себя матрицу квантовых точек, настроенную на определенную запрещенную зону / сегмент светового спектра, например, сегмент видимого света, инфракрасный (ИК) сегмент и/или другой сегмент. В одном примере кристаллы настраиваются за счет размерности (например, размера) квантовых точек. Излучение 300 (например, фотоны) принимается прозрачной для излучения подложкой 302.
Пример КТ фотоэлектрического слоя описан в работе Бхандари и др. "Тонкопленочные солнечные элементы на основе гетероперехода коллоидных квантовых точек PbS с CdS", Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы, том 117, октябрь 2013, стр. 476-482 (Bhandari, etal., "Thin film solar cells based on the heterojunction of colloidal PbS quantum dots with CdS", Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 117, October 2013, pages 476-482). Другой пример описан в работе Нозик и др., "Полупроводниковые квантовые точки и массивы квантовых точек и применение генерации множественных экситонов к фотоэлектрическим солнечным элементам третьего поколения", Химические обзоры, том 110, редакция 2010, стр. 6873-6890 (Nozik, et al., "Semiconductor Quantum Dots and Quantum Dot Arrays and Applications of Multiple Exciton Generation to Third-Generation Photovoltaic Solar Cells", Chemical Reviews, Volume 110, Revision 2010, pages 6873-6890). Другой пример описан в работе Семонин и др., "Квантовые точки для фотоэлектрической энергетики следующего поколения", Материалы сегодня, том 15, ноябрь 2012, выпуск 11 (Semonin, et al., "Quantum Dots for Next Generation Photovoltaics", Materials Today, Volume 15, November 2012, Issue 11). В настоящем документе также подразумеваются и другие конфигурации.
ПК КТ слой 104 включает в себя ПК мембрану 308 с объемным Si материалом 310 и столбчатые поры 312, заполненные квантовыми точками 314 (в данном примере из сульфида свинца (PbS)). ПК КТ слой 104 представляет собой более толстый слой по сравнению с КТ фотоэлектрическим слоем 102. Квантовые точки 314 в столбчатых порах 312 и кремний в объемном Si материале 310 взаимодействуют, преобразуя принятое излучение 300 в электрический заряд (сигнал, импульс и т.д.) посредством генерации электронно-дырочных пар. Пример ПК КТ слоя 104 раскрыт в заявке на патент 62/649,615, озаглавленной "Определение пикселей в детекторе излучения из пористого кремния с квантовыми точками " поданной 29 марта 2018 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.
На фиг. 4 показан пример взаимодействия между квантовыми точками и кремнием для преобразования принятого излучения в электрический заряд. В этом примере ПК КТ слой 104 также включает в себя электрические проводники 402 и 404 (в данном примере алюминиевые (Al) контакты) на противоположных сторонах 406 и 408, соответственно, ПК мембраны 308. Опять же, квантовые точки 314 в столбчатых порах 312 и кремний в объемном Si материале 310 взаимодействуют с целью преобразования принятого излучения 300 в электрический заряд посредством генерации электронно-дырочных пар.
Возвращаясь к фиг. 3, слой 106 сбора и передачи включает в себя металлический слой 316, подложку 318 и схему 320. Металлический слой 316 электрически соединен с объемным Si материалом 310 ПК КТ слоя 104 через электропроводный адгезив или т.п. Пример с пикселизацией раскрыт в заявке на патент 62/649,615. Схема 320 (например, специализированная интегральная схема (ASIC, от англ. application specific integrated circuit) или т.п.) расположена на подложке 318. В данном примере сигналы, генерируемые в ПК КТ слое 104, направляются в схему 320 через сквозные переходные отверстия 319 (THV, от англ. through-hole vias) (напр., через кремниевые переходные отверстия) в подложке 318. В одном варианте эти сигналы направляются посредством проводов, гибкой печатной платы или т.п. В одном примере схема 320 включает в себя считывающую электронику (не показана на фигуре) и считывает измеренные сигналы. В другом примере схема 320 сначала обрабатывает (например, усиливает, фильтрует, объединяет и т.д.) измеренные сигналы, а затем считывает обработанные сигналы. Схема 320 может быть выполнена с возможностью управления как процессом сбора данных, так и процессом считывания данных.
Слой 108 накопления энергии включает в себя устройство 322 накопления заряда, например, перезаряжаемую батарею, суперконденсатор и/или т.п. В данном примере заряд, генерируемый в КТ фотоэлектрическом слое 102, направляется к слою 108 накопления энергии через электрический канал 324, такой как провода, гибкая печатная плата или т.п., расположенный на стороне 326 ПК КТ детектора 100 излучения. В этом примере заряд, накопленный в слое 108 накопления энергии, направляется к слою 106 сбора и передачи посредством электрических контактов 328 и 330 к устройству 322 накопления заряда и специализированной интегральной схеме 320. В одном варианте заряд передается посредством проводов, гибкой печатной платы и т.п.В проиллюстрированном примере схема 320 управляет слоем 108 накопления энергии. В одном варианте слой 108 накопления энергии включает в себя собственную схему для управления.
Пример кремниевого устройства накопления заряда описан в работе Оукс и др., "Пористый кремний с обработанной поверхностью для стабильных, высокоэффективных электрохимических суперконденсаторов", Научные отчеты, том 3, октябрь 2013 г., номер статьи: 3020 (Oakes, et al., "Surface engineered porous silicon for stable, high performance electrochemical supercapacitors," Scientific Reports, Volume 3, October 2013, Article number: 3020). Другой пример устройства накопления заряда описан в работе Гауда и др., "Создание устройства накопления энергии на отдельном нанопроводе", Нано Письма, 11 (8), июль 2011 г., стр. 3329-3333 (Gowda, et al., "Building Energy Storage Device on a Single Nanowire," Nano Letters, 11 (8), July 2011, pages 3329-3333). Другой пример устройства накопления заряда описан в работе Гарднер и др., "Встроенный накопитель энергии на чипе, использующий пассивированные нанопористые кремниевые электрохимические конденсаторы", Нано Энергия, том 25, июль 2016 г., стр. 68-79 (Gardner, et al., "Integrated on-chip energy storage using passivated nanoporous-silicon electrochemical capacitors," Nano Energy, Volume 25, July 2016, Pages 68-79). В настоящем документе также подразумеваются другие конфигурации.
В одном неограничивающем примере ширина 332 и глубина 333 ПК КТ детектора 100 излучения находятся в диапазоне от двадцати до пятидесяти миллиметров (20-50 мм), толщина 334 прозрачной для излучения подложки составляет примерно десять микрон (10 мкм), толщина 336 комбинации КТ поглощающего фотоэлектрического материала 304 и электропроводящего контакта 306 составляет примерно сто микрон (100 мкм), а толщина 338 ПК мембраны находится в диапазоне от трехсот до тысячи микрон (300-1000 мкм), толщина 340 слоя 106 сбора и передачи находится в диапазоне от семисот до тысячи микрон (700-1000 мкм), а толщина 342 слоя 108 накопления энергии находится в диапазоне миллиметр или больше (1+ мм). В данном документе также подразумевается ПК КТ детектор 100 излучения с другим расположением слоев и/или со слоями другой толщины.
На фиг. 5 показан пример системы детектирования и обработки излучения. Система детектирования и обработки излучения включает в себя модуль 502 с одним или более ПК КТ детекторами 100 излучения и устройство 504 обработки, удаленное от одного или более ПК КТ детекторов излучения и являющееся их частью.
Один или более ПК КТ детекторов 100 излучения расположены на беспилотном наземном объекте или в космическом пространстве. Как правило, в этих местоположениях ручная подзарядка устройства накопления энергии слоя 104 накопления энергии невозможна. Однако, для применения с малым энергопотреблением заряд, генерируемый КТ фотоэлектрическим слоем 102 и накопленный в слое 104 накопления энергии, обеспечивает рабочую мощность для одного или более ПК КТ детекторов излучения для измерения детектируемого излучения и передачи этого излучения на другое устройство, например, на устройство 504 обработки.
В проиллюстрированном примере модуль 502 и/или один или более ПК КТ детекторов 100 излучения включают в себя по меньшей мере беспроводной интерфейс 506. В одном примере беспроводной интерфейс 506 выполнен с беспроводным передатчиком, выполненным с возможностью передачи данных, указывающих измеренный сигнал, на устройство 504 обработки. В другом примере беспроводной интерфейс 506 выполнен с беспроводным приемопередатчиком и не только передает данные, но и принимает данные (например, команду, запрос данных и т.д.) от устройства 504 обработки. Питание беспроводного интерфейса 506 также осуществляется посредством слоя 108 накопления энергии.
Устройство 504 обработки включает в себя процессор 508 (например, центральный процессор (ЦП), микропроцессор и т.д.), запоминающее устройство (память) 510 и беспроводной интерфейс 512. Запоминающее устройство 510 включает в себя один или более алгоритмов, таких как один или более спектральных и/или неспектральных алгоритмов, для обработки данных, принятых от модуля 502. Такая обработка, в одном примере, включает в себя генерирование изображения. В одном примере процессор 508 остается в режиме ожидания с пониженным энергопотреблением для передачи данных только при срабатывании за счет детектируемого излучения, что позволяет экономить электроэнергию. Беспроводной интерфейс 512 выполнен с дополнительным беспроводным приемником или беспроводным приемо-передатчиком для приема или приема и передачи данных (например, команды, запроса данных и т.д.).
На фиг. 6 представлен пример способа в соответствии с вариантом (вариантами) осуществления.
На этапе 602 КТ фотоэлектрический слой 102 ПК КТ детектора 100 излучения принимает первое излучение.
На этапе 604 КТ фотоэлектрический слой 102 преобразует принятое излучение в заряд.
На этапе 606 слой 108 накопления энергии ПК КТ детектора 100 излучения накапливает заряд.
На этапе 608 слой 106 сбора и передачи ПК КТ детектора 100 излучения принимает рабочую мощность от слоя 108 накопления энергии.
На этапе 610 ПК КТ слой 104 ПК КТ детектора 100 излучения принимает второе излучение.
На этапе 612 ПК КТ слой 104 преобразует второе излучение в сигнал, указывающий уровень энергии второго излучения.
На этапе 614 слой 106 сбора и передачи измеряет сигнал, указывающий уровень энергии второго излучения.
На этапе 616 слой 106 сбора и передачи направляет (необработанные и/или обработанные) результаты измерения от ПК КТ детектора 100 излучения.
В одном примере направленные (необработанные и/или обработанные) результаты измерения обрабатывают с помощью устройства, удаленного от ПК КТ детектора 100 излучения.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и детально описано на чертежах и в предшествующем описании, такое иллюстрирование и описание следует считать приведенным в качестве примера, но не носящим ограничительный характер; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области могут быть осознаны и осуществлены другие варианты раскрытых вариантов осуществления изобретения на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественности. Один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле. Тот факт, что некоторые меры указаны во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, оптическом носителе или твердотельном носителе, поставляемом вместе с другим оборудованием или как часть другого оборудования, а также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.