1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 1, 2021

Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 98-101

АРХИТЕКТУРА ГИБРИДНОГО МАТРИЧНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДЕТЕКТОРА ФОРМАТА 32 × 32 ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ВАКУУМНЫЙ УЛЬТРАФИОЛЕТ–ЖЕСТКИЙ РЕНТГЕН

П. Н. Аруев a, *, С. В. Бобашев a, А. М. Красильщиков a, А. В. Николаев a, **, Д. Ю. Петров b, Е. В. Шерстнев a

a Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
194021 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26, Россия

b ООО “Авиационные Исследования Разработки Технологии”
195009 Санкт-Петербург, ул. Комсомола, 1–3 литер аи, Россия

* E-mail: sildet@mail.ioffe.ru
** E-mail: a.v.nikolaev@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 27.04.2020
После доработки 22.06.2020
Принята к публикации 23.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлена усовершенствованная архитектура гибридного матричного детектора, работающего в диапазоне вакуумный ультрафиолет–жесткий рентген формата 32 × 32 для высокоскоростной регистрации профиля излучения высокотемпературной плазмы с энергией фотонов Еph = 1–10 000 эВ. Детектор включает кремниевые фотодиоды, предусилители, систему оцифровки и передачи информации при времени кадра 2 мкс и непрерывной записи до 4 с. При разработке учтен опыт применения предыдущей модели гибридного матричного детектора формата 16 × 16 в токамаках Т-11М и “Глобус-М”. Представлены результаты абсолютных калибровок чувствительности фотодиодов в диапазоне энергий 1–60 000 эВ. Продемонстрирован функционирующий прототип субмодуля формата 1 × 32.

Актуальность разработки систем прямой ультрабыстрой визуализации радиационных потерь высокотемпературной плазмы обусловлена необходимостью изучения развития магнитогидродинамических неустойчивостей. Отсутствие прозрачных материалов для излучения в спектральных диапазонах вакуумного ультрафиолета, мягкого и жесткого рентгена [1] не позволяет проводить прямую визуализацию быстрых процессов в плазме без использования детекторов, размещенных непосредственно внутри рабочей камеры токамака.

Для непрямой визуализации излучения плазмы применяются микроканальные пластины, люминесцентные экраны, световоды, зеркала и быстрые внешние камеры [2]. В основном применяются промышленно выпускаемые высокоскоростные камеры для не вакуумного спектрального диапазона [3–6], регистрирующие вторичное излучение. Такой подход не позволяет проводить прямое наблюдение внутри вакуумной камеры, а также имеет ограничение по предельной чувствительности и минимальному времени быстродействия конверторов излучения в оптический диапазон (λ = 450–950 нм).

Для прямой регистрации излучения плазмы используют фотодиодные линейки, размещенные непосредственно внутри токамака [7–9]. Вакуумные требования к работе токамаков не позволяют использовать конструкционные материалы, влияющие на уровень вакуума в рабочей камере. Кроме того, объекты, размещенные внутри токамака, должны выдерживать вакуумный нагрев как минимум до 150–180°С для периодической дегазации.

В работе [10] представлены результаты по прямой визуализации динамики плазмы в токамаке Т-11М с использованием гибридного матричного детектора (г.м.д.) 16 × 16, разработанного в ФТИ им. Иоффе. Эта система обеспечивает прямую ультрабыструю визуализацию плазмы с временем кадра ~1 мкс, возможностью непрерывной записи в течение нескольких секунд, коэффициентом заполнения активной области ~25% и форматом 16 × 16 пикселей.

Основной задачей данной работы является создание г.м.д. формата 32 × 32 для прямой ультрабыстрой визуализации высокотемпературной плазмы с учетом предыдущего опыта создания и использования г.м.д. 16 × 16 [11, 12]. Г.м.д. формата 16 × 16 представляет собой комбинацию камеры-обскуры, расположенной внутри рабочей камеры токамака, и блока управления, находящегося вне токамака на расстоянии ~10 м.

Камера-обскура содержит 8 модулей детекторов формата 2 × 16, выполненных на керамических платах и собранных в матрицу формата 16 × 16 с коэффициентом заполнения ~25% при фронтальном размере матричного детектора 31 × 1 мм. Каждый субмодуль формата 2 × 16 состоит из монолитной линейки SPD (Silicon Precision Detector) [13] фотодиодов с чувствительной областью 0.88 × 1.22 мм, 32 трансимпедансных усилителей с полосой пропускания ~0.2 МГц. Опрос всех каналов за время кадра ~1 мкс обеспечивают 4 быстрых 8-канальных мультиплексора. Передача сигналов от 256 детекторов осуществляется через 50-штырьковый вакуумный разъем к внешнему 32-канальному 12-битному аналого-цифровому преобразователю (а.ц.п.) с модулем управления и синхронизации, выполняющим оцифровку аналогового сигнала и запись результатов в бортовую память.

Данная конфигурация обеспечивает квазипараллельный опрос 256 фотодиодов за полное время кадра до ~1 мкс при максимальном времени опроса до 3.2 с. В г.м.д. 16 × 16 используются созданные в ФТИ им. Иоффе SPD-фотодиоды на основе мелкозалегающего (30 нм) сильно несимметричного p+–n-перехода [13–15].

Типовые спектральные зависимости измеренной чувствительности и расчетной квантовой эффективности SPD-фотодиодов представлены на рис. 1. Измерения чувствительности (рис. 1а) в диапазоне длин волн λ = 0.021–400 нм (Eph = = 60 000–3.1 эВ) были выполнены в Институте метрологии PTB (г. Берлин) [16–18]. Измерения чувствительности в диапазоне длин волн λ = 300–1200 нм (Eph = 4.1–1.03 эВ) были выполнены в ФТИ им. Иоффе. Расчет квантовой эффективности QE(λ) (рис. 1б) проводился на основе данных измеренной чувствительности с использованием выражения:

(1)
$QE(\lambda ) = (S(\lambda )hc){\text{/}}(\lambda q),$
где S(λ) – абсолютная чувствительность фотодиода, λ – длина волны, q – заряд электрона, h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме.

Рис. 1.

Типовые спектральные характеристики SPD-фотодиодов: а – измеренная квантовая чувствительность; б – расчетная квантовая эффективность.

Необходимость повышения разрешения гибридного матричного детектора 16 × 16 с формата 16 × 16 до 32 × 32 усложняет задачу вывода информации к блоку управления, дальнейшее наращивание числа выходов мультиплексоров (аналогично архитектуре г.м.д. формата 16 × 16) привело бы к росту числа сигнальных проводов с 32 до 128. Другой недостаток разработанной ранее системы – аналоговый выходной сигнал с детекторов, подверженный сильным электромагнитным помехам в момент разряда токамака.

Для устранения обозначенных недостатков разработан прототип гибридного модуля детекторов формата 1 × 32, содержащий 32 фотодиода, 32 трансимпедансных усилителя, 32 12-битных а.ц.п., а также систему передачи оцифрованных данных от 16 а.ц.п. по одному проводу при времени кадра 2 мкс. Данная конфигурация субмодуля детекторов г.м.д. 32 × 32 позволяет уменьшить число проводов для передачи данных с 128 до 64. Кроме того, при передаче по проводам цифровой сигнал более устойчив к воздействию мощных электромагнитных помех при разряде в токамаке, чем аналоговый.

В прототипе субмодуля детекторов формата 1 × 32 вместо монолитной линейки фотодиодов применены дискретные фотодиоды. Это позволяет создать конструкцию модуля таким образом, чтобы вход усилителей соединялся с базой фотодиода (неосвещенный контакт), в то время как активная область фотодиода заземлена или находится под отрицательным напряжением смещения порядка нескольких вольт. Данный подход позволяет устранить вклад внешнего фотоэффекта в фототок.

Структурная схема г.м.д. формата 32 × 32 представлена на рис. 2. Предполагаемая ширина керамических плат вакуумных аналоговых и цифровых частей г.м.д. формата 32 × 32 составляет 55 мм.

Рис. 2.

Структурная схема гибридного матричного детектора формата 32 × 32. ФД – фотодиод, ТИУ – трансимпедансный усилитель, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, MБ – Мегабайт.

Для апробации представленного выше подхода был изготовлен прототип модуля XUV (Extreme ultraviolet)-детекторов, состоящий из 32 дискретных SPD-фотодиодов с активной областью ~1 мм2, 32 трансимпедансных усилителей с резистором обратной связи 1 МОм, 32 12-битных а.ц.п., 2 сериалайзеров и одного микроконтроллера. Аналоговая часть выполнена на керамической (Al2O3) плате, цифровая часть – на стеклотекстолите.

Таким образом, в данной работе представлена архитектура гибридного матричного детектора 32 × 32 (г.м.д. 32 × 32) с улучшенными системами оцифровки и передачи информации для непрерывной записи в течение 4 с при времени кадра 2 мкс.

Используемые в разработке SPD-фотодиоды обладают широкой спектральной характеристикой и высокой квантовой эффективностью в диапазоне энергий фотонов (Eph = 1–60 000 эВ). Помимо исследования плазмы в токамаках, г.м.д. 32 × 32 может быть использован для визуализации динамики быстрых радиационных процессов в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом, вакуумном ультрафиолетовом, рентгеновском диапазонах электромагнитного спектра в научных и промышленных установках.

Список литературы

  1. ISO 21348 Definitions of Solar Irradiance Spectral Categories.

  2. Bush C.E., Stratton B.C., Robinson J., Zakharov L.E., Fredrickson E.D., Stutman D., Tritz K. // Rev. Sci. Instrum. 2008. V. 79. P. 10E928-1. https://doi.org/10.1063/1.2968219

  3. Yu J.H., Van Zeeland M.A., Chu M.S., Izzo V.A., La Haye R.J. // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. P. 056114-1. https://doi.org/10.1063/1.3118626

  4. Ding Y.H., Zhuang G., Zhang X.Q., Zhang J., Ba W.G., Wang Z.J., Pan Y. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. A. 2009. V. 606. P. 743. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.012

  5. Wang Z.J., Ming T.F., Gao X., Du X.D., Ohdachi S. // Rev. Sci. Instrum. 2016. V. 87. P. 11E307-1. https://doi.org/10.1063/1.4959951

  6. Odstrcil T., Odstrcil M., Grover O., Svoboda V., Ďuran I., Mlynář J. // Rev. Sci. Instrum. 2012. V. 83. P. 10E505-1. https://doi.org/10.1063/1.4731003

  7. Shafer M.W., Battaglia D.J., Unterberg E.A., Evans T.E., Hillis D.L., Maingi R. // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81. P. 10E534-1. https://doi.org/10.1063/1.3481166

  8. Tal B., Labit B., Nagy D., Chavan R., Duval B., Veres G. // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. P. 123508-1. https://doi.org/10.1063/1.4848155

  9. Bernert M., Eich T., Burckhart A., Fuchs J.C., Giannone L., Kallenbach A., McDermott R.M., Sieglin B. // Rev. Sci. Instrum. 2014. V. 85. P. 033503-1. https://doi.org/10.1063/1.4867662

  10. Алексеев А.Г., Белов А.М., Забродский В.В. // ПТЭ. 2010. № 2. С. 58.

  11. Sladkomedova A.D., Alekseev A.G., Bakharev N.N., Gusev V.K., Khromov N.A., Kurskiev G.S., Minaev V.B., Patrov M.I., Petrov Yu.V., Sakharov N.V., Shchegolev P.B., Solokha V.V., Telnova A.Yu., Tolstyakov S.Yu., Zab-rodsky V.V. // Rev. Sci. Instrum. 2018. V. 89. P. 083509-1. https://doi.org/10.1063/1.5039801

  12. Sladkomedova A.D., Voronin A.N., Alekseev A.G., Gusev V.K., Kurskiev G.S., Petrov Yu.V., Sakharov N.V., Tolstya-kov S.Yu., Zabrodsky V.V. // Phys. Scr. 2018. V. 93. P. 105601.https://doi.org/10.1088/1402-4896/aadb85

  13. Aruev P.N., Kolokolnikov Yu.M., Kovalenko N.V., Legkodymov A.A., Lyakh V.V., Nikolenko A.D., Pindyurin V.F., Sukhanov V.L., Zabrodsky V.V. // Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. A. 2009. V. 603. P. 58. https://doi.org/10.1134/S1027451010010167

  14. Scholze F., Klein R., Müller R. // Metrologia. 2006. V. 43. P. 6.https://doi.org/10.1088/0026-1394/43/2/S02

  15. Goldberg Yu.A., Zabrodsky V.V., Obolensky O.I., Petelina T.V., Suhanov V.L. // Semiconductors. 1999. V. 33. № 3. P. 343. https://doi.org/10.1134/1.1187691

  16. Gottwald A., Kroth U., Richter M., Schoppe H., Ulm G. // Meas. Sci. Technol. 2010. V. 21. P. 125101. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/12/125101

  17. Krumrey M., Ulm G. // Nucl. Instrum. and Methods A. 2001. V. 467–468. P. 1175. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(01)00598-8

  18. Scholze F., Tümmler J., Ulm G. // Metrologia. 2003. V. 40. P. 224. https://doi.org/10.1088/0026-1394/40/1/352

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал