Гибридные пиксельные детекторы — это тип детектора ионизирующего излучения , состоящий из массива диодов на основе полупроводниковой технологии и связанной с ними электроники. Термин «гибрид» связан с тем фактом, что два основных элемента, из которых построены эти устройства, полупроводниковый датчик и микросхема считывания (также известная как специализированная интегральная схема или ASIC), производятся независимо, а затем электрически соединяются посредством процесса ударного соединения . Ионизирующие частицы обнаруживаются, когда они создают электронно-дырочные пары в результате взаимодействия с сенсорным элементом, обычно изготовленным из легированного кремния или теллурида кадмия . Считывающая ASIC сегментирована на пиксели, содержащие необходимую электронику для усиления и измерения электрических сигналов, индуцируемых поступающими частицами в сенсорном слое.
Гибридные пиксельные детекторы, предназначенные для работы в однофотонном режиме, известны как гибридные детекторы подсчета фотонов (HPCD). Эти детекторы предназначены для подсчета количества попаданий за определенный интервал времени. Они стали стандартом для большинства источников синхротронного света и приложений для обнаружения рентгеновского излучения . [1]
Первые гибридные пиксельные детекторы были разработаны в 1980-х и 90-х годах для экспериментов по физике частиц высоких энергий в ЦЕРНе . [2] С тех пор многие крупные коллаборации продолжали разрабатывать и внедрять эти детекторы в свои системы, такие как эксперименты ATLAS , CMS и ALICE на Большом адронном коллайдере . [3] [4] [5] Используя кремниевые пиксельные детекторы как часть своих внутренних систем слежения, эти эксперименты способны определить траекторию частиц, образующихся во время высокоэнергетических столкновений, которые они изучают. [6]
Ключевым нововведением в создании пиксельных детекторов такой большой площади стало разделение датчика и электроники на независимые слои. Учитывая, что для датчиков частиц требуется кремний с высоким удельным сопротивлением, а для считывающей электроники требуется низкое удельное сопротивление, внедрение гибридной конструкции позволило оптимизировать каждый элемент индивидуально, а затем соединить их вместе посредством процесса ударного соединения, включающего микроскопическую точечную пайку. [7]
Вскоре стало понятно, что ту же гибридную технологию можно использовать для обнаружения рентгеновских фотонов. К концу 1990-х годов первые детекторы гибридного счета фотонов (HPC), разработанные CERN и PSI , были испытаны с синхротронным излучением. [8] Дальнейшие разработки в ЦЕРН привели к созданию чипа Medipix и его вариаций.
Первый HPC-детектор большой площади был построен в 2003 году в компании PSI на базе считывающего чипа PILATUS. Второе поколение этого детектора с улучшенной считывающей электроникой и меньшими пикселями стало первым детектором HPC, который регулярно работал на синхротроне. [9]
В 2006 году компания DECTRIS была основана как дочерняя компания PSI и успешно коммерциализировала технологию PILATUS. С тех пор детекторы на основе систем PILATUS и EIGER широко используются для малоуглового рассеяния , когерентного рассеяния , порошковой рентгеновской дифракции и спектроскопии . Основными причинами успеха детекторов HPC являются прямое детектирование отдельных фотонов и точное определение интенсивностей рассеяния и дифракции в широком динамическом диапазоне. [10]