Позиционно-чувствительные детекторы серии Medipix, Timepix представляют собой гибридные детекторы, а это означает, что полупроводниковый слой сенсора соединен со слоем считывающей электроники. Активная область сенсора изготовлена на основе полупроводниковых материалов, таких как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe), в которых падающее излучение создает электронно-дырочные пары носителей заряда. Заряд собирается с электродов с каждого пикселя сенсора и переносится в слой считывающей электроники изготовленной на основе КМОП технологии. Соответствующий пиксель электроники в свою очередь усиливает сигнал и затем сравнивает амплитуду сигнала с предварительно установленным пороговым значением (уровень энергии).
Последующая обработка сигнала зависит от типа детектора. Стандартный детектор серии Medipix увеличивает счет в соответствующем пикселе, если сигнал составляет выше уровня дискриминации. Детекторы серии Medipix имеют также верхний уровень дискриминации и, следовательно, только сигналы в пределах диапазона амплитуды могут быть приняты (в пределах энергетического окна).
Детекторы серии Timepix помимо считывающего режима, также имеют еще два режима работы. Первый режим называется Time-over-Threshold (время над порогом) и в этом режиме счетчик в каждом пикселе записывает число тактов, в течение которых импульс остается выше установленного порогового значения. Это число тактов пропорционально энергии регистрируемого излучения. Этот режим используется для слежения за траекторией частиц/фотонов или для прямой спектральной визуализации. Второй режим детектора серии Timepix называется Time-of-Arrival (время прихода) и в этом режиме счетчик в каждом пикселе записывает время между триггером и моментом регистрации излучения квантов с энергией выше установленного порогового значения. Этот режим работы находит применение во времяпролетных применениях, например, в визуализации нейтронов. Каждый момент регистрации кванта ионизирующего излучения детектором обрабатывается электроникой интегрированной в каждом пикселе, поэтому детектор серии Timepix можно рассматривать как 65 536 индивидуальных счетных детекторов или даже спектрометров. Пороговые значения энергии могут регулироваться. Таким образом можно измерить весь спектр попадающего на детектор излучения, что позволяет использовать детектор для визуализации рентгеновских изображений.
Чип Timepix стал следствием развития детектора Medipix2. Он имеет такие же физические размеры как чип Medipix2, но обладает другой функциональностью на уровне одного пикселя.
Свойства чипа Timepix:
- квадратный пиксель 55 мкм делает чип Timepix конкурентоспособным по пространственному разрешению с большинством существующих устройств для визуализации;
- прямое преобразование рентгеновских лучей полупроводниковым сенсором минимизирует размытие изображений и позволяет избежать дополнительного этапа преобразования рентгеновских лучей в видимый свет необходимый для традиционных полупроводниковых детекторов;
- чип предназначен для приема либо положительного или отрицательного входного заряда, чтобы не ограничивать выбор материала сенсора (Si, GaAs, CdZnTe, ...);
- чип Timepix имеет энергетический порог, который может быть отрегулирован 4 битами для однородной работы всех пикселей матрицы;
- каждый пиксель может быть запрограммирован для работы в одном из трех режимов: счет единичных частиц/фотонов, режим Time-over-Threshold (время над порогом), режим Time-of-Arrival (время прихода). В случае режима Time-over-Threshold или Time-of-Arrival считаются тактовые импульсы;
- время экспозиции может быть выбрано произвольно. Данные накапливаются в 13-битном счетчике в каждом пикселе. Пиксель переполняется при 11 810 отсчетов. В режиме счета единичных частиц/фотонов каждый пиксель может обрабатывать скорости счета около 100 кГц случайно прибывающих частиц/фотонов. Считывание производится после экспозиции, чтобы избежать мертвого времени;
- выполняется параллельное и последовательное считывание;
- чип Timepix имеет активную площадь около 2 см2 в формате матрицы из 256х256 пикселей.
Детектор Timepix состоит из сенсора (используется кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe)) изготовленного в виде матрицы пикселей. Каждый пиксель соединен со считывающей электроникой через шарообразные контактные площадки интегрированные в чип размещенный под сенсором. Считывающая электроника в каждом пикселе обрабатывает сигнал с сенсора. Каждый пиксель либо считает число зарегистрированных фотонов/частиц или измеряет время прихода регистрируемых событий или измеряет энергию, передаваемую регистрируемым квантом.
Стандартный чип сенсора изготавливается из кремния, но может быть замене различными сенсорами для регистрации ионизирующих излучений (кремний, CdTe, GaAs, микроканальные пластины и т.д.). В сочетании с вакуумной совместимостью детектор Timepix может использоваться в визуализации электронов, нейтронов и рентгеновского излучения, а также для масс спектрометрии.
