Кремнієві ФЕП. Революційні технології детектування

15.07.2019

Виготовлення та застосування сцинтиляційних детекторів рухаються у напрямку заміни традиційних фотоелектронних помножувачів ФЕП (рос. ФЭУ, англ. PMT) на кремнієві фотоелектронні помножувачі SiPM. В цьому інтерв'ю Пітер Р. Мінге старший науковий співробітник компанії Saint Gobain Crystals розповів онлайн виданню AZoM про переваги сцинтиляційних детекторів на основі SiPM у порівнянні з ФЕП при використанні їх у сфері радіаційного моніторингу та безпеки.

Будь ласка, розкажіть про Saint Gobain Crystals та роботу, яку ви робите?

Saint Gobain Crystals є виробником сцинтиляційних матеріалів, вузлів та приладів, що використовуються для виявлення та вимірювання радіації. Ці продукти використовуються у різних сферах, включаючи медичну візуалізацію, охорону здоров'я від радіаційного випромінювання, внутрішню безпеку, промислове зондування, розвідку нафти, наукові дослідження. У нас є виробничі потужності у Сполучених Штатах, Франції та Індії, а також торговельні представництва по всьому світу.

SiPM detectors.jpg

Чому відбувається перехід від традиційних фотоелектронних помножувачів до кремнієвих ФЕП (SiPM)?
Чи можете ви пояснити різницю між детекторами виробництва Saint Gobain на базі SiPM та PMT з NaI кристалом?

Перехід від ФЕП до SiPM відбувається по тій причині, що SiPM мають декілька основних переваг, зберігаючи подібні значення коефіцієнта підсилення та швидкодії:

SiPM для роботи вимагають у 20 - 30 разів менше енергії, ніж ФЕП. Це дає можливість використовувати стандартні літій-іонні батареї. ФЕП потребують живлення від електричної мережі, або спеціальних акумуляторів великої ємності
SiPM є набагато меншими та займають в 1000 разів менший об’єм, ніж ФЕП. Це (поряд з першою причиною) є привабливою причиною для використання SiPM у портативних детекторах, конструкціях з обмеженим об'ємом, або при необхідності об'єднання декількох детекторів разом
SiPM мають більш високу ефективність детектування фотонів, ніж ФЕП для сцинтиляційного світла. Найкращі ФЕП мають ефективність детектування 35%, тоді як SiPM пропонують 50-60%. Це створює більш якісний рівень сигналу з меншим стохастичним і пуассонівським шумом
На ФЕП сильно впливають магнітні поля, що перешкоджає їх використанню в магнітно-резонансних (MR) знімках, або поблизу потужних електричних струмів, також в будь-якому місці поблизу магнітних полів
Надійність постачання SiPM збільшується у порівнянні з ФЕП. Два основних світових виробника пропонують ФЕП. SiPM доступні щонайменше від чотирьох виробників. Ми також отримали нові потужності для виготовлення друкованих плат. Це знижує ризики втрат, пов’язаних з терміном виробництва, наявністю відповідних комплектуючих, також покращує потенціал для інноваційних розробок та подальшого поліпшення продуктивності

Детектори іонізуючого випромінювання на основі SiPM з кристалом Nal, мають приблизно вдвічі меншу довжину та потребують у 20 разів нижчу напругу живлення, ніж детектори на основі ФЕП. Існують деякі недоліки. SiPM мають більш високий рівень темнового рахунку, ніж ФЕП на одиницю площі (зазвичай приблизно у 5 разів вище). Для сцинтиляторів з тривалими довжинами імпульсів, таких як NaI, цей шум може погіршити енергетичну роздільну здатність. Типове значення енергетичної роздільної здатності при 662 кеВ складають 6,5% для ФЕП та 7,5% для SiPM.

Розкажіть, будь ласка, про унікальні рішення компанії Saint Gobain на основі SiPM . Які основні особливості та переваги?

Saint-Gobain співпрацює з зовнішнім партнером для розробки компактного сенсора з низьким енергоспоживанням. Потужність споживання модулів менше 50 мВт, при цьому вони мають видатну продуктивність у різних умовах. Як добре відомо, в промислових умовах коефіцієнт підсилення SiPM значною мірою залежить від зміни температури та швидкості рахунку.

Наше рішення розроблене для забезпечення стабільного виходу в широкому діапазоні температур (від -20°C до +55°C). Крім того, воно здатне підтримувати продуктивність для швидкості підрахунку понад 50 000 cps. І на додаток, наші клієнти отримують продукт, який було протестовано згідно суворих вимог ANSI N42.34 на чутливість до радіочастотного випромінювання, термічну стабільність, вологість, пил та електростатику.

SiPM detectors2.jpg

Детектори SiPM постачаються в різних форм-факторах та пропонують безліч архітектурних переваг. Для яких застосувань це корисно?

Великою перевагою, яку мають детектори SiPM перед традиційними ФЕП, це їх компактні розміри. За малих габаритів SiPM мають майже аналогічну продуктивність до ФЕП. На даному етапі циклу розробки ми бачимо чіткі переваги для застосувань, де мобільність є ключовою, де важлива свобода дій та споживання енергії.

Сьогодні наші SiPM детектори працюють надзвичайно добре в компактних переносних пристроях, які живляться від акумулятора для ідентифікації радіоізотопів (RIID). Деякі з цих застосувань включають портативні детектори, що монтуються на транспортні засоби та інші системи безпеки.

SiPM можуть використовуватися у якості датчиків, що встановлюються на транспортні засоби.
Джерело зображення: Shutterstock/Vilgun

Виявлення радіації дуже важливо для державної безпеки. Яким чином можливості з індивідуалізації SiPM допомагають у різних застосуваннях для цієї сфері?

Маючи завдання забезпечити широке коло застосувань, Saint-Gobain пропонує технічне рішення для розробників та користувачів. Залежно від застосування, ми можемо адаптувати та оптимізувати кількість і розташування SiPM на кристалі, щоб досягти оптимальної форми та продуктивності.
Доступні варіанти опцій щодо конструктиву детекторів та електричних роз'ємів, які забезпечують просте підключення до вже існуючої системи на основі ФЕП. Це мінімізує зусилля на переобладнання системи, надає змогу скористатись перевагами SiPM, просто замінивши детектор на базі ФЕП. Є кілька опцій, пов'язаних з електронікою.

Залежно від потреб замовника ми можемо запропонувати на вибір опції температурної компенсації сигналу:
1. Аналоговий
• зарядочутливий попередній підсилювач
• попередній підсилювач струм-напруга
• TTL імпульсний вихід
2. Цифровий
• багатоканальний аналізатор, базовий
• багатоканальний аналізатор, покращений - з вибором імпульсів за формою (PSD)

Точність є дуже важливим аспектом радіаційного моніторингу. Яким чином SiPM забезпечує точність вимірювань?

Детектори Saint Gobain на основі SiPM мають дуже низький рівень шуму і здатні виявляти сигнали до 10 кеВ. Це означає, що вони можуть надійно детектувати сигнали у рентгенівському діапазоні.

Детектори були оптимізовані з точки зору стабільності та лінійності, а також були проведені порівняльні тести з «золотим стандартом» - спектроскопією на основі особливо чистого германію HPGe з декількома ізотопами, включаючи 137Cs, 22Na, 57Co і 228Th. Результати більш ніж багатообіцяючі - 95% коефіцієнту лінійності між різними ізотопами. Для визначення базового дизайну, компонентів та алгоритмів було проведено широке термічне тестування, дослідження з компенсації підсилення та оптимізації зменшення шуму.

SiPM application2.jpg

SiPM можуть допомогти для високоточного виявленні радіації
Джерело зображення: Shutterstock/EgoreichenkovEvgenii

Що означають детектори Saint Gobain Crystals на основі SiPM для майбутнього державної безпеки та інших галузей, які потребують радіаційного моніторингу?

SiPM були адаптовані для сфери медичних зображень в якості фотосенсора. Декілька років тому відбувся перехід від систем на базі ФЕП на користь SiPM. За останні кілька років SIPM довели свою надійність, а нові великі учасники ринку, такі як ON Semiconductor та Broadcom, додали SiPM у своє широке портфоліо продуктів на основі кремнію.

Перші прихильники SiPM із космічної сфери та фізики високих енергій відстоювали це технічне рішення, розширюючи межі існуючого на той момент. Рівень цін різко знизився, внаслідок чого ефективність використання зрівнялась з ФЕП. SiPM мають значну перевагу практично в усіх розрахунках показників якості FoM (figure of merit).

Майбутнє радіаційного моніторингу за SiPM. Стає можливим виготовлення окремих компактних пристроїв, що живляться від акумуляторів та легко адаптуються під індивідуальні потреби замовників. Маючи стандартизовані технічні рішення, управляючу електроніку та результати тестів ANSI, Saint-Gobain до кінця 2020 року буде пропонувати SiPM в будь-якому виконанні з усіма видами своїх сцинтиляторів.

Де наші читачі можуть знайти більше інформації?
Про наші продукти на базі SiPM, читачі зможуть знайти більше інформації на нашому сайті.
Вони можуть зв'язатися з нами через веб-сайт форму запиту. В даний час ми пропонуємо детектори NaI-SiPM 2” х 2” на пробний період 30-60 днів. Таким чином, замовники мають змогу перевірити і побачити, як наші рішення SiPM можуть відповідати різним технологічним потребам. Також клієнти можуть надавати відгуки про те, як нам варто додатково кастомізувати продукт під специфічні потреби.

Про Пітера Р. Мінге
Peter R. Menge є старшим науковим співробітником компанії Saint Gobain Crystals, керує департаментом розробки продуктів. Робота Пітера зосереджена на впровадженні нових технологій у промислові продукти, включаючи детектори для екстремальних умов використання, медичні візуалізатори високої роздільної здатності, також детектори з кристалами LaBr3 та NaIL.

Оригінал: AZoM.com
Переклад: Дмитро Шилов

Пов'язані товари

Вернуться