Исследование чувствительности фотоприемника с зарядовой связью к рентгеновскому излучению

Исключительная линейность светосигнальной характеристики фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС) хорошо известна — число электронов, генерируемых в каждом пикселе, пропорционально количеству света, воздействующему на данный пиксель [1−3]. Кроме того, ФПЗС не имеют порога детектирования — излучение, вне зависимости от его интенсивности, все равно создает заряды в ячейках секции накопления. Стоит отметить, что емкость пикселей не безгранична и зависит от технологии изготовления ФПЗС, но бесспорным является то, что емкость тем больше, чем больше размеры пикселя.

Если количество света, воздействующего на ФПЗС достаточно велико, то число созданных электронов может оказаться больше емкости пикселя. В этом случае сигнал достигает насыщения, а избыточный заряд начинает перетекать в соседние ячейки — возникает эффект блуминга, выражающийся в уширении интенсивных линий и тем большем, чем выше уровень генерируемого заряда по сравнению с емкостью пикселя [4−5].

ФПЗС являются основной частью всех современных оптических спектрометров. Для обеспечения его работы необходимо создать систему импульсных управляющих сигналов, подключить усилительные звенья, аналого-цифровой преобразователь и далее передать в цифровом виде сигналы, получаемые с каждого пикселя ФПЗС [6−12]. Очевидно, что управление столь сложной системой должно осуществляться с помощью микроконтроллера и весь электронный блок управления для уменьшения влияния помех на передаваемые сигналы должен находиться в непосредственной близости от оптического узла или внутри него. На рис. 1 приведена структурная схема электронной части спектрометра ISM3600, разработанного в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [13].

Рисунок 1. Структурная схема электронной части спектрометра ISM3600.

В рамках поставленной задачи по изучению возможности детектирования теневых изображений объектов в рентгеновском диапазоне длин волн, были исследованы зависимости чувствительности ФПЗС от интенсивности рентгеновского излучения. Исследования проводились с использованием рентгеновской трубки БХ-1, имеющей бериллиевое окно толщиной 150 мкм [14]. Теневое изображение регистрировалось на ФПЗС Toshiba TCD 1304, имеющую 3648 пикселей размером 200Ч8 мкм (рис. 2). В качестве системы считывания и первичной обработки сигнала была использована аппаратная часть спектрометра ISM3600, имеющего программное обеспечение с возможностью вывода, обработки и фильтрации полученных спектров [15].

Для проведения эксперимента по определению чувствительности ФПЗС был предложен следующий метод. Рентгеновское излучение от трубки направлялось на фотоприемник, напротив которого устанавливался объект, дающий теневое изображение. По нему можно судить и о контрасте, и об изменении чувствительности ФПЗС от интенсивности рентгеновского излучения. фотоприемник чувствительность теневое рентгеновское Рисунок 2. ФПЗС Toshiba TCD 1304 в оптическом модуле спектрометра ISM3600.

Рисунок 3. Теневые картины, полученные при установке перед ФПЗС медной проволочки для нескольких ускоряющих напряжений рентгеновской трубки Интенсивность изменяется с изменением напряжения, подаваемого на рентгеновскую трубку. На рис. 3 представлены теневые картины, полученные при установке перед ФПЗС медной проволочки, а на рис. 4 — свинцовой пластинки.

Рисунок 4. Теневые картины, полученные при установке перед ФПЗС свинцовой пластинки Все измерения проводились при постоянном времени накопления сигнала. На рис. 5 представлены графики зависимостей полученного контраста от интенсивности рентгеновского излучения, пропорционального квадрату напряжения, подаваемому на трубку.

Рисунок 5. Графики зависимостей полученного контраста от интенсивности рентгеновского излучения при использовании: а — медной проволочки; б — свинцовой пластинки Из приведенных выше зависимостей следует несколько важных выводов:

• 1. ФПЗС (по крайней мере исследованный) начинает воспринимать рентгеновские кванты начиная с порогового значения интенсивности;
• 2. При фиксированном времени накопления сигнала возможно насыщение и «заливка» всего спектра, причем вероятность этого явления, что в прочем естественно, увеличивается с ростом времени накопления и интенсивности излучения.

Из этих выводов следует, что можно подобрать наиболее подходящую для регистрации теневой картины объекта интенсивность рентгеновского излучения и время накопления, при которых и чувствительность ФПЗС и контраст изображения будет находиться в заданном диапазоне значений. Это в свою очередь делает ФПЗС эффективным позиционно-чувствительным прибором с возможностью обработки сигналов современными компьютерными средствами.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры электронных приборов и устройств факультета электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» за предоставленное оборудование и помощь в проведении экспериментов.

Библиографический список

• 1. Кострин Д. К. Исследование линейности светосигнальной характеристики ПЗС фотоприемника // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2−3. С. 86−91.
• 2. Кострин Д. К., Ухов А. А. Датчики в электронных устройствах. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 240 с.
• 3. Кострин Д. К., Лисенков А. А., Ухов А. А. Электронные средства контроля технологических процессов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 228 с.
• 4. Кострин Д. К., Ухов А. А. Светосигнальная характеристика ПЗС-фотоприемника в области больших световых потоков // Контроль. Диагностика. 2013. № 5. С. 40−42.
• 5. Кострин Д. К., Ухов А. А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы. 2013. № 5. С. 13−15.
• 6. Кострин Д. К., Ухов А. А. Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 21−25.
• 7. Кострин Д. К. Разработка и исследование спектрометрического программно-аппаратного комплекса для анализа светоизлучающих диодов: Автореф. дис. … канд. техн. наук / Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). СПб., 2013.
• 8. Кострин Д. К. Разработка и исследование спектрометрического программно-аппаратного комплекса для анализа светоизлучающих диодов: Дис. канд. техн. наук / Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). Санкт-Петербург, 2013.
• 9. Кострин Д. К. Оборудование и методы спектрометрического контроля изделий и процессов электроники. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 160 с.
• 10. Василевский А. М., Коноплев Г. А., Светлов Д. А., Герасимов В. А., Кострин Д. К., Ухов А. А. Оптико-электронная информационно-измерительная система контроля дезинфицирующих средств на основе полигексаметиленгуанидина // Медицинская техника. 2014. № 1. С. 10−13.
• 11. Kostrin D.K., Uhov A.A., Lisenkov A.A. Optical spectrometry in the diagnosis of ion-plasma processes: Control of the coating deposition process and thickness // Vakuum in Forschung und Praxis. 2016. V. 28. № 3. P. 34−37.
• 12. Kostrin D.K., Lisenkov A.A., Uhov A.A. Spectrometric control of coatings deposition process // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 735. P. 12 055.
• 13. Ухов А. А., Кострин Д. К. Оптимизация системы регистрации многоканального оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 4. С. 8−12.
• 14. Быстров Ю. А., Кострин Д. К., Перес Васкес Н. О., Ухов А. А. Производственный контроль медицинских рентгенодиагностических трубок серии БД-150 // Биотехносфера. 2013. № 4. С. 60−64.
• 15. Юдин Р. В., Кострин Д. К., Шишов Д. И., Ухов А. А. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 3. С. 8−13.