Разработка и исследование детекторов рентгеновских изображений на основе твердотельных приемников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

г 1 й? ез7

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукопись

ФЕДОТОВ Михаил Геннадьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКИХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ

01.04.01 - техника физического эксперимента физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Купер

Эдуард Адольфович Панченко

Владислав Евгеньевич

— доктор технических наук,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкер СО РАН, г. Новосибирск.

— кандидат фиэ.-мат. наук,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкер СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Аульченко

Владимир Михайлович Курышев

Георгий Леонидович

доктор технических наук,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкер

СО РАН, г.Новосибирск.

доктор физ.-мат. наук,

Институт физики полупроводников

СО РАН, г. Новосибирск.

Ведущая организация:

Институт кристаллографии РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится " <г - 1997 г. в

" часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 при

Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " / " Л-1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета академик

Б.В. Чириков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В качестве детекторов рентгеновских изображений в настоящее время все шире используются различные твердотельные полупроводниковые приемники изображения (ТПИ), такие, как приборы с зарядовой связью (ПЗС— charge coupled device, CCD), фотодиодные решетки (ФДР— photodiode array, PDA) и т. д. Они удачно сочетают функции накопления, кратковременного хранения и электрического считывания информации с хорошим геометрическим разрешением и высокой чувствительностью.

И хотя в большинстве выпускаемые в мире ТПИ являются оптическими, для некоторых их типов (высокочувствительные матричные ПЗС со скрытым каналом) широко ведутся исследования собственной рент-геночувствительности в режиме счета рентгеновских фотонов. Очень низкие уровни собственных шумов таких ТПИ (10 носителей и менее) позволяют получать в этом режиме энергетическое разрешение, близкое к предельному (ограниченному фактором Фано кремния).

Однако из-за малых допустимых загрузок счетный режим не пригоден для регистрации динамических изображений при работе с источниками излучения высокой яркости (например, в экспериментах на пучках син-хротронного излучения). И в этом случае предпочтительным выглядит использование собственной рентгеночувствительности ТПЙ с накоплением в его ячейках зарядов множественных событий (режим интегрирующего детектора).

Причем для этого режима не характерны жесткие требования к уровню шума (предъявляемые к ПЗС в режиме спектрометра), и функционировать в той или в иной степени в нем могут практически все выпускаемые в настоящее время типы матричных и линейных ТПИ (ПЗС с поверхностным и скрытым каналом, ФДР, приборы с зарядовой ин-жекцией, различные типы ТПИ со смешанной конфигурацией). В тоже время при использовании собственной рентгеночувствительности ТПИ возникают ограничения, связанные с диффузионным распространением заряда.

Действительно, при непосредственной регистрации рентгеновского излучения (как и в случае оптического вблизи края фундаментального поглощения полупроводникового материала) генерация электронно-дырочных пар происходит не только в обедненных областях чувствительных ячеек (где сбор заряда практически полный), но и в электрически нейтральной части подложки или эпитаксиалыюго слоя. Здесь в результате диффузии нерекомбинировавшие неосновные носители могут попа-

дать в обедненные области ячеек, создавая дополнительный сигнальный заряд и вызывая специфические искажения изображения.

Кроме того, при регистрации рентгеновских изображений процессы диффузии приводят к появлению дополнительных компонент шума и могут также ограничивать реальное временное разрешение.

Состояние исследуемого вопроса. Как отмечалось, сейчас активно ведутся работы и существует значительное число публикаций по ПЗС в режиме рентгеновских спектрометрометров. Соответственно, рядом авторов (G.R. Hopkinson, J. McCarthy и др.) проведен подробный теоретический анализ влияния диффузии на энергетическое разрешение и построены модели диффузионного распространения в эпитаксиальном слое заряда точечного источника.

В тоже время в работах, посвященных использованию ТПИ как интегрирующих детекторов рентгеновских изображений, для анализа диффузионных искажений применяются грубо-приближенные модели и модели в форме квадратур.

В принципе, при описании пространственных искажений могут использоваться частотно-контрастные и фазовые характеристики, полученные рядом авторов (D.H. Seib, М.М. Blouke and D.A. Robinson, В.П. Федосов) для ТПИ в ближней инфракрасной области. Причем переход к двумерным характеристикам может быть осуществлен путем использования симметрии функции рассеяния точки.

Тем не менее, выбор по условиям регистрации оптимальной геометрии и оптимального ТПИ, как и расчет специализированных рентгеновских ТПИ, требует построения комплексных пространственно-временных передаточных функций для произвольных углов падения излучения и определения спектров мощности компонент диффузионного шума. Кроме того, в ряде случаев необходим учет характеристик собственно функции рассеяния точки.

Цель работы. Целью настоящей работы является определение влияния диффузии неосновных носителей на работу твердотельных (полупроводниковых) приемников изображения в рентгеновской области: построение модели диффузии для различных типов ТПИ и соответствующих пространственно-временных передаточных функций, определение шумов диффузии, экспериментальная проверка полученных результатов.

В работу также входит раздел, посвященный экспериментальной демонстрации режима внутриячеечного лавинного усиления в ПЗС. Данный раздел включен в диссертацию из-за больших потенциальных возможностей лавинных ТПИ; кроме того, в эксперименте было показано,

что в силу особенностей структуры использовавшихся ПЗС лавинного усиления диффузионно-распространившегося заряда не происходило.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. На основе построенной в некоторых приближениях модели диффузии получены пространственно-временные передаточные функции ТПИ с фронтальным и обратным освещением для произвольных углов падения излучения, а также передаточная функция ТПИ с торцевым облучением.

2. Показано (в предельных случаях— в аналитическом виде) и экспериментально продемонстрировано наличие особенности у функции рассеяния точки области диффузионного сбора заряда для нормального падения излучения; показано уменьшение интеграла заряда в окрестностях особенности и изменение формы функции рассеяния точки при переходе к освещению с обратной стороны; в приближении полубесконечной подложки для нормального падения в явном виде получен импульсный отклик - функция рассеяния точки.

3. Отмечена возможность увеличения диффузионных искажений и ухудшения пространственного разрешения для приборов с разрывной обедненной областью.

4. В приближении полубесконечной подложки построены модели нели-нейностей, обусловленных модуляцией глубин обедненных областей сигнальным зарядом.

5. Определены две связанные с диффузией компоненты шума; в рамках модели эпитаксиальныхТПИ для спектров мощности этих компонент получены аналитические выражения.

6. Экспериментально продемонстрирована возможность коррекции диффузионных искажений в ЭВМ.

7. Предложен и экспериментально продемонстрирован режим внутри-ячеечного лавинного усиления в оперирующих электрическими зарядами многоэлементных фотоприемниках.

Практическая ценность. Результаты работы могут найти следующие приложения:

1. Аналитические выражения для передаточных функций и спектров мощности шумов позволяют оценивать пригодность различных типов выпускаемых оптических ТПИ для прямой регистрации заданных рентгеновских изображений; кроме того, эти выражения могут быть использованы при расчете специализированных рентгеновских ТПИ.

2. Полученные передаточные функции также могут быть применены для коррекции диффузионных искажений при последующей обработке

изображений в ЭВМ, а спектры мощности шума— при построении оптимального для заданного изображения корректирующего фильтра.

3. Проанализированные ТПИ с торцевым оводом излучения могут оказаться пригодными для регистрации изображений в жесткой (30-100кэВ) рентгеновской области и найти применение в медицинских цифровых рентгеновских установках и томографах, в системах дефектоскопии.

4. В случае, если удастся практически реализовать режим счета рентгеновских фотонов с уточнением координаты (режим "сверхвысокого разрешения"), окажется возможным создание детекторов для рентгеновской топографии с пространственным разрешением, приближающимся к разрешению фотоматериалов и image plates.

5. Значительный интерес в дальнейшем может представлять создание специализированных лавинных ТПИ, сочетающих, фактически, в одном устройстве обычный приемник изображения и усилитель яркости. Во всяком случае, поскольку достижимый квантовый выход внутреннего фотоэффекта в полупроводниках заметно выше внешнего у фотокатодов ЭОП, лавинные ТПИ в перспективе превосходят по чувствительности все существующие классы приемников изображения.

6. Представленные в работе передаточные функции рентгеновских ТПИ также пригодны для описания регистрации инфракрасных изображений и треков минимально ионизирующих частиц. В частности, зависимость передаточной функции (и функции рассеяния точки) от длины волны излучения может быть использована для построения изображающих пирометров, a or угла падения частицы— для восстановления ее трека (например, в вершинных детекторах).

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Построена модель диффузии неосновных носителей в ТПИ и на ее основе получены пространственно-временные передаточные функции ТПИ различных структур в рентгеновской области; определены связаные с диффузией компоненты шума.

2. Написан ряд программ, синтезирующих по параметрам ТПИ функцию рассеяния точки, импульсный отклик, спектр мощности диффузионного шума.

3. Разработана регистрирующая аппаратура, написаны соответствующие программы и проведены эксперименты по прямой регистрации рентгеновских изображений линейным ПЗС и последующей коррекции и фильтрации полученных изображений в ЭВМ.

4. На основе фотодиодной решетки разработаны регистрирующая аппаратура и программное обеспечение, реализующие алгоритм цифровой двойной коррелированной выборки, что позволило уменьшить шумы

ФДР и опробовать режим счета рентгеновских фотонов.

5. Изготовлено электронное и криогенное оборудование, позволившее реализовать в ПЗС режим внутриячеечного лавинного усиления (в т.ч. при глубоком охлаждении — вплоть до режима счета оптических фотонов); по результатам экспериментов определены особенности лавинного усиления в использовавшихся ПЗС.

Апробация работы, публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЯФ СО РАН, на международных конференциях по приборам для синхротронного излучения SRI-82 (Hamburg, 1982) и SRI-88 (Tsukuba, 1988), на международных (всесоюзных, всероссийских) конференциях по использованию синхротронного излучения СИ-86 (Новосибирск, 1986), СИ-90 (Москва, 1990), СИ-94 (Новосибирск, 1994), СИ-96 (Новосибирск, 1996), на ряде других всесоюзных симпозиумов, совещаний и семинаров. По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 113 страницах машинописного текста, состоит из Введения, четырех глав, Заключения, Приложения и списка литературы. Текст содержит 27 рисунков, в списке литературы 89 наименований.

Содержание работы

Во Введении дан краткий обзор применения ТПИ для регистрации рентгеновских изображений, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследования, перечислены основные результаты работы.

Первая глава посвящена построению модели диффузионных искажений, определению соответствующих пространственно-временных передаточных функций и выявлению некоторых свойств функций рассеяния точки. Эта глава состоит из пяти секций.

В первой секции рассматривается модель ТПИ с полубесконечной подложкой для нормального падения излучения. Причем конечным пробегом фото- п комптоновских электронов, ренггенофлуоресценцией полупроводника и возможными потерями заряда в обедненной области прене-брегается, подложка полагается однородной и достаточно толстой (т.е. значительно толще диффузионной длины ¡¡¡), эффекты, связанные с дискретизацией изображения, конечными апертурами ячеек и процессами считывания ТПИ, не рассматриваются.

В рамках данной модели решением уравнения диффузии получена комплексная пространственно-временная передаточная функция (фурье-образ отклика системы на входное воздействие вида ¿(а:)6(?/)<5(/)) от двух пространственных (ых,иу) и временной (о;() частот Фурье:

= е-^/(1 + Т/П) , (1)

где П = у^ + а>1 г^— эффективная частота, О— коэффи-

циент диффузии неосновных носителей, у— линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения материалом подложки, Ь—глубина обедненной области (при Ь = 0 выражение (1) является передаточной функцией области диффузионного сбора заряда).

Причем в выбранной нормировке ^(0,0,0) = <2Е— квантовая эффективность ТПИ (без учета конечной прозрачности электродной структуры), определяемая как отношение регистрируемого ТПИ заряда к полному заряду, образуемому падающим излучением в объеме полубесконечной подложки.

Далее в данной секции проанализирована область применимости решения и определены в явном виде импульсный отклик и импульсный отклик - функция рассеяния точки области диффузионного сбора заряда; показано, что, поскольку на высоких пространственных частотах передаточная функция данной области принимает вид 1/о>х или то в одномерном и двумерном случаях при малых х, у функция рассеяния точки имеет особенности вида 1п(1/ж) и 1/т/а:2 -Ь у2 (что позволяет, при достаточно высокой частоте пространственной дискретизации, различать сколь угодно близкие ¿-образные рентгеновские изображения — и этом смысле геометрическое разрешение ТПИ определяется апертурой и шагом чувствительных ячеек даже в случае больших диффузионных длин и жесткого рентгеновского излучения; одновременно диффузионные эффекты могут приводить к значительным искажениям изображения — появлению "хвостов", "размытий", "гало" с характерным масштабом до (2Ч-3)М.

Далее приводятся результаты численного моделирования пространственных искажений и временной зависимости диффузионно-собранного заряда и исследуется в квазистационарном случае нелинейность ТПИ, обусловленная модуляцией глубины обедненной области сигнальным зарядом.

Во второй секции рассматривается модель эпитаксиальных ТПИ с фронтальным освещением при произвольных углах падения излучения.

В этом случае пространственно-временная передаточная функция области диффузионного сбора заряда имеет вид (плоскость ху совпадает с границей обедненная область - электронейтральная толщины d часть эпитаксиального слоя, вектор падения излучения лежит в плоскости xz, угол падения у>):

yd /> + ft cos у> + iw„ sin <р \ Fd(wx,uy,ut) =-Р -а 1 +

cos ip \ cos <р J

7

+-

± exp(2ftrf) — 1 cos tp Гp / 7 + ft cos у + iujx sin tp \ _ / 7 - ft cos <p + iux sin <p \1 . . [ \ cos cp / V cos у /J

где знак "+" соответствует приближению поглощающего, "—"— отраг жающего неосновные носители субстрата, функция Р(а) = ^ (1 — е-0) .

Полная передаточная функция (с учетом поглощения излучения обедненной областью) имеет вид:

T(ux,<jjy,ujt) =-Р -L +

cos <р \ cos <р }

\ cos <р )

(3)

Аналогично (1) выражения (2) и (3) нормированы на квантовую эффективность (без учета поглощения в мертвых слоях).

Как и в случае полубесконечной подложки, при нормальном падении излучения для эпитаксиальных ТПИ функция рассеяния точки области диффузионного сбора заряда имеет особенность вида 1п(1/ж) (что иллюстрируется рис.1) или 1/\/г2 + у2 (в двумерном случае). При скользящем же падении передаточная функция спадает не быстрее 1/(шх) , и функция рассеяния точки принимает вид "ступеньки" (по х).

На высоких временных частотах передаточная функция спадает а ; соответственно импульсный отклик при малых временах про-

порционален 1/\Д , а величина собранного заряда ос \Д .

Далее во второй секции приведены упрощенные выражения для оценки характерных масштабов пространственных и временных искажений и кратко рассмотрены пути их уменьшения, даны примеры численного моделирования пространственных искажений. Кроме того, в заключение этой секции показана возможность значительного увеличения

Рис. 1: А — аппаратам функция (изображение 10 мкм щели в пике линии МоКа1, 17,5 кэБ, нормальное падение) полученная для линейного ПЗС 1200ЦЛ1 (стрелки в верхней части графиков — номера ячеек ПЗС). В — расчетная одномерная функция рассеяния точки области диффузионного сбора заряда. С?Е — расчетная квантовая эффективность; остальные обозначения — параметры использовавшейся модели.

диффузионных искажений для приборов с разрывной обедненной областью или с узкой чувствительной областью.

В третьей секции получена (путем преобразования решения для эпи-таксиальных ТПИ) передаточная функция приборов с освещением с обратной стороны (со стороны подложки):

+ Р ( 8'" У Л ехв (_ 7+'Чг А ' 0О5 (¿3 г ^ соау> А1 \ сое (р и) '

где

соэ <р

и

7 — П сое <р + гих бш <р Д

+

1

±ехр(2М)-1

с ов(р

7 — И соэ (р + ги!х вт у>

<1 е +

Р ( ' ' )

^ СОЭ (р )

(Т + П сое у 4- гшх вшу Л ш" 1

V «»¥> У Л

(4)

(5)

— пространственно-временная передаточная функция области диффузионного сбора заряда, знак "+" отвечает приближению поглощающей,

"—" — отражающей неосновные носители облучаемой поверхности. Причем при шх — шу = 0 и — 0 выражения (4) и (5) аналогично (2) и (3) переходят в квантовые эффективности ТПИ.

При освещении с обратной стороны для нормального падения излучения функция рассеяния точки области диффузионного сбора заряда имеет особенность вида 1п(1/г) или 1 / ^х2 + у2 . Однако, в отличии от приборов с фронтальным освещением, при больших диффузионных длинах и сильном поглощении излучения передаточная функция может иметь область экспоненциально быстрого спада (обусловленного множителем е"ш). В силу этого функция рассеяния точки принимает в пределе "ко-локолообразную" форму, а доля сигнального заряда в окрестности особенности становится пренебрежимо малой.

Эти и некоторые другие свойства функции рассеяния точки при обратном освещении (сильная зависимость квантовой эффективности от диффузионной длины и от скорости рекомбинации на облучаемой поверхности, а также ухудшение разрешения ТПИ при скользящем падении излучения) проиллюстрированы результатами численного моделирования.

В четвертой секции рассматривается возможность применения ТПИ с торцевым вводом излучения как однокоординатных (в гибридном исполнении — двухкоординатных) детекторов для области энергий 30-100кэВ и определяется (в приближении либо нулевой, либо бесконечной скорости рекомбинации неосновных носителей на облучаемом торце) соответствующая пространственно-временная передаточная функция:

<•>»,<"«) = -2~—2 X

7 +

+ + , (в)

,<г у ±ехр(2Ш)-1 ] ^ ги*

где верхний член соответствует отражающему неосновные носители облучаемому торцу, нижний— поглощающему, знак "+" — отражающей неосновные носители границе раздела эпитаксиальный слой- подложка, "—"— поглощающей границе (аналогично модели ТПИ с фронтальным освещением), I — растояние от облучаемого края до активной (собирающей сигнальные заряды) электродной структуры ТПИ.

Характерной особенностью является размерность— поскольку входное изображение предполагается одномерным (т.е. преобразуемым в фурье-спектр только по и>у), а выходное— двумерным (зависимость оти>х описывает распределение сигнального тока по поверхности ТПИ).

Далее в четвертой секции определяется передаточная функция ТПИ с торцевым вводом излучения и полным обеднением (кремниевых микро-стриповых детекторов, ПЗС на основных носителях и т.д.) и рассматриваются методы вычисления квантовой эффективности (как для случая диффузионного сбора заряда, так и для случая полного обеднения).

В пятой секции рассмотрены основные соотношения, описывающие системы быстрого однокоординатного рентгеновского кино с прямой регистрацией и накоплением изображений ПЗС-матрицей, определены соответствующие пространственно-временные передаточные функции.

Вторая глава посвящена рассмотрению (в рамках модели с аддитивным шумом) двух компонент связанного с диффузией пространственного шума: компоненты, обусловленной случайным характером диффузии и рекомбинации отдельных носителей, и компоненты, обусловленной зависимостью изображения, формируемого одиночным рентгеновским квантом, от глубины его поглощения.

Для первой компоненты пространственного шума, интегрируемого апертурами чувствительных ячеек и дискретизируемого с шагом их размещения, определен спектр мощности. Показано, что этой компоненте также может быть приписан спектр мощности (нормированный на один потенциально образуемый излучением носитель) эквивалентного "непрерывного" (не дискретизированного) шума:

П^К,^) = Г(0,0)- №*,ы,)|а , (7)

где Р(их,Шу) = Т(и)х,шу, 0)— пространственная передаточная функция ТПИ.

Спектр мощности второй компоненты (нормированный на полный заряд, образующийся при поглощении рентгеновского кванта) может быть представлен как:

= (|ЙК,а;у)|2)г - , (8)

где (16(^3;,«у)|2)г —квадрат модуля фурье-образа поверхностной плотности заряда, взвешенный по глубине поглощения фотона г ; в явном виде получено в приближении модели эпитаксиальных

ТПИ (рассмотренной впервой главе).

Соответственно, если энергия кванта Е, а средняя энергия образования электронно-дырочной пары е, то спектр полной мощности шума (как квадрат числа шумовых носителей на один фотон) с учетом квантового шума изображения будет:

Е

>Улг (и*, и у ) = — И^ (ых, )+ 12

Поскольку множитель при компоненте Wjv, в Eft ~ 103 -т- 104 раз меньше, чем при других компонентах, то ее вклад в общий уровень шума изображения, как правило, пренебрежимо мал. Это проиллюстрировано результатами численного расчета спектров мощности исходного квантового и дополнительных диффузионных шумов для типичного ТПИ.

Тем не менее, на достаточно высоких > ob у f') пространственных частотах компонента W^ будет доминировать в силу быстрого спада мощности других составляющих; кроме того, высокочастотные составляющие VVVj будут доминировать в неосвещаемых областях изображения— в зонах "диффузионных крыльев", поскольку аналогичные составляющие WjVj и квантового шума связаны с особенностью функции рассеяния точки. Также существенным вклад компоненты Wjv, может быть в ТПИ с обратным освещением в силу быстрого спада передаточной функции в области высоких частот.

В заключение второй главы рассмотрены методы вычисления спектров мощности двух компонент связанного с диффузией временного шума.

Третья глава, представляющая результаты экспериментов по прямой регистрации рентгеновских изображений ТПИ, содержит две секции.

В первой секции приведены результаты экспериментов по проверке соответствия реальной и теоретической передаточных функций, рассмотрены примеры коррекции и фильтрации в ЭВМ тестового рентгеновского изображения.

Для проведения данных экспериментов была разработана регистрирующая система на основе линейного 1024-элементного (шаг размещения ячеек 15мкм) ПЗС типа 1200ЦЛ1. Это серийный кремниевый ПЗС с поверхностным каналом и толстой полностью геттерированной монокристаллической подложкой п-типа (рис.2А).

Измерения выполнялись для линий Mo Kai>a, и Cr Kaiio3, источником излучения являлись сменные рентгеновские трубки с соответствующими материалами анодов.

Наличее особенности у функции рассеяния точки при нормальном падении излучения демонстрирует pnc.lA, где приведено экспериментально полученное изображение Юмкм щели , расположенной в пике линии Mo Ка1 (17,5кэВ). Несмотря на слабое поглощение этого излучения кремнием (1/7 = 580мкм) и большую диффузионную длину, ПШПВ изображения (полная ширина на половине высоты) около 45мкм. При

Рис. 2: С — условный поперечный разрез кристалла ЛФВС типа 1200ЦЛ1: 1 — трехфазный сдвиговый регистр; 2 — фоточувствительная область; 3 — охранные и антиблюминговые элементы; 4— стоп-канал на пассивной поверхности; 5— обедненные области активных структур; 6— п+-диффузня-геттерный слой.

О — изображение дублета Мо Ка,,о3'. 1 — исходное изображение; 2— восстановленное по экспериментальной аппаратной функции; 3— по передаточной функции (3) в предположении отражающей неосновные носители обратной поверхности подложки; 4 — по (3) в предположении поглощающей поверхности.

?

этом протяженность "крыльев" диффундировавшего заряда достигает 1мм.

Определение соответствия теоретической модели экспериментальным данным проводилось путем сравнения изображений дублетов рентгеновских линий (рис.2В), скорректированных либо с использованием передаточной функции (3), либо с использованием измеренных аппаратных функций (изображения Юмкм щелн). Коррекция осуществлялась специально разработанной программой на основе метода БПФ.

Для дублета Мо Ка, <а2 и нормального падения излучения изображение, восстановленное по экспериментальным данным (рис.2В, график 2), .полностью совпадает с восстановленным по функции (3) для отражающей поверхности (график 3). В случае наклонного падения (под углом 72° ) для дублета Мо Ка11о2 восстановленное по этой модели изображение также достаточно хорошо соответствует восстановленному экспериментально. Изображения Мо К„1>а2, восстановленные по функции (3) для поглощающей поверхности, характеризуются недостаточной глубиной коррекции при всех углах падения. Т.е. геттерный слой в данных ПЗС обладает свойствами стоп-канал а и является "зеркалом" для нео-

сновных носителей.

Диффузионные искажения дублета более мягких рентгеновских линий (Сг К01,0а) незначительны. Тем не менее, здесь отмечена дополнительная компонента искажений, вызванная, предположительно, диффузией с пассивной поверхности ПЗС (наличие такой "дальней диффузии" было подтверждено оптическим тестом).

В экспериментах по регистрации рентгеновских изображений также продемонстрирована возможность уменьшения диффузионных искажений при наклонном падении излучения.

В рамках данной работы была экспериментально подтверждена эффективность коррекции диффузионных искажений в ЭВМ, что обусловлено медленным падением передаточной функции на высоких пространственных частотах. Для уменьшения влияния шумов предложены и испытаны два реставрирующих фильтра: квазиоптимальный адаптивный фильтр и эвристический "фильтр нулевой линии".

Во второй секции третьей главы рассмотрена система регистрации на основе фотодиодной решетки (ФДР) ЛФЭ-1024-25/2 и описаны первые результаты экспериментов, в которых предпринималась попытка реализации режима "сверхвысокого разрешения" (когда разрешение лучше размера ячейки ТПИ).

Обычно при регистрации рентгеновских изображений пространственное разрешение ТПИ ограничивается шагом размещения или размером чувствительных ячеек. В то же время в счетном режиме это разрешение может быть повышено путем учета диффузионного деления между ячейками заряда, образуемого одиночным рентгеновским квантом (численное моделирование такого деления проведено на основе фурье-образа распределения, полученного в первой главе).

ФДР типа ЛФЭ-1024-25/2 содержит 1024 чувствительные ячейки (фотодиода) размером 25 л км х 150л км, причем вытянутая форма ячеек позволяла рассматривать задачу как одномерную.

К основным недостаткам данных ФДР следует отнести значительный разброс чувствительности и нулей ячеек, а также значительную нелинейность. Для их уменьшения был разработан специальный электрометрический усилитель с тремя сбалансированными цепями обратной связи. Усилитель позволил полностью реализовать динамический диапазон ФДР (около 90дБ). Сверху диапазон ограничен емкостью фотодиода (и 10 7е~~), снизу— КТС-шумом (около ЗООе-).

Тем не менее, такой уровень шума (ЗООе-) чрезмерно велик для использования ФДР в режиме счета рентгеновских фотонов.

Поэтому были разработаны специализированный малошумящий усилитель, схема аналоговой двойной коррелированной выборки и отработан алгоритм цифровой двойной коррелированной выборки (позволяющий подавить КТС-компоненту шума — произвести "электронное охлаждение" фотодиода). Это позволило значительно снизить дрейфы ФДР при недостаточном (2-5 кратном) улучшении шумовых характеристик. Последнее обусловлено как недостаточным разрешением АЦП, так и, вероятно, наличием в ФДР источников шума, связанных с лавинным размножением носителей.

Тем не менее, достигнутый уровень шума позволил уверенно регистрировать одиночные рентгеновские кванты с энергией выше ЮкэВ, хотя для обоснованния заключения о возможности или невозможности использования ЛФЭ-1024-25/2 в режиме "сверхвысокого разрешения" требуются дополнительные эксперименты.

В тоже время надо отметить, что в уже проведенных экспериментах практически не наблюдалось событий с делением заряда более чем по двум ячейкам. Это может быть объяснено малой (~ 5-20лки<) диффузионной длиной в готовых приборах, поскольку деление заряда по двум ячейкам может вызываться пробегом фотоэлектрона (» 10л(К.м для ЗОкэВ). Если дальнейшие эксперименты подтвердят это предположение, то реализация режима "сверхвысокого разрешения" окажется невозможной без изменения технологии изготовления данных ФДР.

Четвертая глава также содержит экспериментальный материал и посвящена демонстрации возможности внутриячеечного лавинного усиления в ПЗС.

Явление лавинного усиления в МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структурах обычно рассматривается как перспективное для создания импульсных лавинных фотодиодов. Выходным сигналом таких фотодиодов является ток.

Тем не менее возможен альтернативный подход — достижение режима лавинного усиления (ЛУ) в оперирующих электрическими зарядами МДП-фотоприемниках и, в частности, в приборах с зарядовой связью.

В этой главе описаны эксперименты, в которых внутриячеечное лавинное усиление получено в серийном 1024-элементном линейном ПЗС типа 1200ЦЛ1.

При непосредственной регистрации рентгеновского и красного оптического излучения из-за особенностей структуры активных областей (каналов стоп-диффузии, занимающих около 10% площади данных приборов) лавинное усиление не имеет места. В синей области спектра при

Рис. 3: Регистрация охлажденным ПЗС сверхслабого оптического изображения в режиме счета фотонов: А— одиночная реализация; В— усреднение по 300 реализациям. V— напряжение ЛУ на затворе, V— величина сигнала в максимуме.

комнатной температуре выявлено устойчивое однородное усиление около 40 (т.е. около 400 в активных областях), ограниченное размножением термогенернрованных зарядов и, возможно, туннельным пробоем и туннельной инжекнией с поверхностных состояний (расчетная концентрация примеси в канале соответствует конкуренции этих процессов с ЛУ).

При температуре жидкого азота в активных областях прибора достигнут внутренний коэффициент усиления порядка 105 —10®, что позволило наблюдать сигналы от отдельных фотогенерированных носителей (рис.3). Соответствующий полный коэффициент усиления (~ 104) обеспечивал регистрацию световых потоков, без усиления полностью маскировавшихся шумом.

Столь высокий коэффициент усиления в оптической области позволил продемонстрировать эффективность лавинного режима для регистрации рентгеновского излучения путем его преобразования в свет на люминофоре. При этом получен коэффициент усиления около 400.

Кроме того, в четвертой главе рассмотрены некоторые особенности лавинного пробоя неоднородных МДП-структур и, в частности, активных областей данного ПЗС (прежде всего, ограничение эффекта накопления заряда и влияние "изолированных" обедненной областью стоп-каналов). Сформулированы требования к структурам, ориентированным на эффективное лавинное усиление при регистрации оптических и рентгеновских изображений.

В Заключении кратко перечисляются основные результаты работы

и обсуждаются возможности их практического использования.

К основным результатам работы можно отнести следующее:

1. Построена теоретическая модель диффузионных искажений в рентгеновских ТПИ различной структуры и на ее основе получены пространственно-временные передаточные функции, определен ряд свойст! соответствующих функций рассеяния точки.

2. Определены основные компоненты связанных с процессами диффузии шумов рентгеновских ТПИ и получены выражения, описывающие их спектры мощности.

3. Разработаны регистрирующие системы на основе ТПИ и проведены эксперименты по регистрации рентгеновских изображений. В экспериментах показано хорошее соответствие для относительно жесткого излучения теоретической передаточной функции реальным приборам, а также продемонстрирована возможность коррекции диффузионных искажений в ЭВМ.

4. Предположена и экспериментально подтверждена возможность реализации в ТПИ режима внутриячеечного лавинного усиления. В этом режиме в серийном ПЗС были достигнуты коэффициенты усиления > 1 ООО и продемонстрирован режим счета оптических фотонов?

В Приложении приведен математический аппарат, применявшийся при определении спектров мощности связанных с диффузией шумов рентгеновских ТПИ.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Купер Э.А., Литпвиненко В.IL, Панченко В.Е., Ушаков В.А., Федотов М.Г. Препринт ИЯФ СО АН СССР 82-100. Новосибирск, 1982 Fedoiov M.G., Kuper Е.А., Liivinenho V.N., Panchenko V.E., Ushakov V.A., Measurement of the parameters of a linear CCD structure as an one-dinensional X-ray imaging detector. — Nucl. Instr. and Meth., 1983, V.A208, p.427.

2. Батраков A.M.,'Купер Э.А., Лысенко А.П., Панченко B.E., Федотов М.Г. Геометрическое разрешение линейного ПЗС в качестве рентгеновского детектора. — Препринт ИЯФ СО АН СССР 86-119. Новосибирск, 1986

Batrakov A.M., Fedotov M.G., Kuper E.A., Lysenko A.P., Panchenko V.E., Geometric resolution of a linear CCD as an X-ray detector. — Nucl. Instr. and Meth., 1987, V.A261, p.246.

3. Федотов М.Г., Передаточная функция ПЗС и фотодиодных решеток в рентгеновской области. — Препринт ИЯФ СО АН СССР 87-109.

Новосибирск, 1987.

4. Тиунов С.А., Федотов М.Г., Устройства на основе ПЗС для регистрации оптических и рентгеновских изображений. — VII Всесоюзный симпозиум "Модульные информационно-вычислительные системы" (тезисы докладов). Новосибирск, 1987, стр.70.

5. Купер ЭЛ., Паиченко В.Е., Тиунов СЛ., Федотов М.Г., Пространственные искажения в твердотельных полупроводниковых приемниках изображения в рентгеновской области. — Препринт ИЯФ СО АН СССР 88-145. Новосибирск ,1988.

6. Fe'dotov M.G., Kuper ЕЛ. and Panchenko V.E., Observation of intracell avalanche amplification in charge-coupled devices (abstract). — Rev. Sci. Instrum., 1989, v.60 (7), Part IIB, p.2331.

7. Fedoiov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. and Tiunov S.A., Spatial correction of solid-state semiconductor imaging detectors in X-ray range (abstract). — Rev. Sci. Instium., 1989, v.60 (7), Part IIB, p.2332.

8. Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. and Tiunov S.A., Spatial distortions in solid-state semiconductor imagers in X-ray ragion (abstract). —-Rev. Sci. Instrum., 1989, v.60 (7), Part IIB, p.2333.

9. Fedoiov M.G., Kuper E.A. and Panchenko V.E., Peculiarities of CCD and photodiode arrays application to X-ray image detection. — Nucl. Instr. and Meth., 1991, v.A308, p.367.

10. Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. and Tiunov S.A., Spatial correction of solid-state semiconductor imaging detectors in the X-ray ragion. — Nucl. Instr. and Meth., 1991, V.A308, p.423.

11. Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. and Tiunov S.A., Spatial distortions in solid-state semiconductor X-ray imaging detectors. — Nucl. Instr. and Meth., 1991, V.A308, p.427.

12. Fedoiov M.G., Kuper E.A. and Panchenko V.E., Experimental observation of intracell avalanche amplification in charge-coupled devices. — Nucl. Instr. and Meth., 1991, v.A308, p.430.

13. Fedotov M.G., Panchenko V.E., An experimental photodiode array unit for ultrahigh-resolution recoding of X-ray images. — Nucl. Instr. and Meth., 1995, V.A359, p.379.

14. Fedotov M.G., Panchenko V.E., A system of fast one-dimensional X-ray cinema with direct registration and accumulation of images by a matrix CCD. — Nucl. Instr. and Meth., 1995, V.A359, p.384.

15. Федотов М.Г. Шумы диффузии в твердотельных приемниках рентгеновских изображений. ИЯФ 95-97. Новосибирск, 1995.