Введение к работе
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 синхротронного излучения). И в этом случае предпочтительным выглядит использование собственной рентгеночувствнтелыюсти 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 н 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 эпитаксиального слоя. Здесь в результате диффузии нерекомбинировавшие неосновные носители могут попа-
дать в обедненные обпасти 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 диффузиошю-распространившегося заряда не происходило.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
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.
-
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.
-
Отмечена возможность увеличения диффузионных искажений и ухудшения пространственного разрешения для приборов с разрывной обедненной областью.
-
В приближении полубесконечной подложки построены модели нелн-нейностей, обусловленных модуляцией глубин обедненных областей сигнальным зарядом.
-
Определены две связанные с диффузией компоненты шума; в рамках модели эпптаксиальныхТПИ 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:
-
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.
-
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.
-
Проанализированные ТПИ с торцевым вводом 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.
-
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.
-
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 изобра
жений и треков минимально ионизирующих частиц. В частности, зави
симость передаточной функции (и функции рассеяния точки) от длины
волны излучения может быть использована для построения изображаю
щих пирометров, а от угла падения частицы— для восстановления ее
трека (например, в вершинных детекторах).
На защиту выносятся следующие результаты:
-
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.
-
Написан ряд программ, синтезирующих по параметрам ТПИ функцию рассеяния точки, импульсный отклик, спектр мощности диффузионного шума.
-
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.
-
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.
