קידום מיקרו-עוניון לשיפור אלפא חלקיקים

Alpha Particle Detection the Boundaries of Microfabrication

חלקיקי אלפא - helium nuclei שנפלטו במהלך דעיכה רדיואקטיבית - מציבים אתגרים ייחודיים לזיהוי.הם נוסעים רק כמה סנטימטרים באוויר ויכולים להיפסק על ידי גיליון נייר.אבל זיהוי אותם עם רגישות גבוהה הוא חיוני עבור אי-הפצת גרעינית, התחדשות סביבתית, ייצור איזוטופ רפואי ומחקר פיזיקה בסיסי.

גלאי אלפא מסורתיים, כגון גלאי מחסום סיליקון וכלבים, שירתו שדות אלה במשך עשרות שנים.עם זאת, הביקוש לנייד, כוח נמוך, כלי רגישות גבוהה להאיץ את אימוץ טכניקות מיקרו-תזונה שנלקחו מתעשיית המוליכים למחצה.

מאמר זה בוחן את טכנולוגיות המיקרו-המחזור המרכזיות שמניעות את הדור הבא של גלאי חלקיקים אלפא, מסמיכות את ההשפעה שלהם על ביצועי זיהוי, ומסקר את היישומים שמרוויחים ביותר מההתקדמות הזו.כל חלק מתבסס על ההנחה שדיוק בקנה מידה המיקרומטר מתורגם ישירות לסטטיסטיקות טובות יותר, רצפות רעש נמוכות יותר, וכלי שדה חזקים יותר.

מדוע מיקרו-תזונה חשובה לזיהוי אלפא

זיהוי אלפא הוא ביסודו על תנופה אנרגיה.כאשר חלקיק אלפא עובר דרך חומר גלאי, הוא יוצר זוגות חור אלקטרוני (במוליכים למחצה) או התפרצויות פוטונים (במתפתלים) המספר הכולל של נשאים מטען או פוטונים הוא פרופורציונלי לאנרגיה של החלקיק. כדי להשיג רזולוציית אנרגיה גבוהה, הגלאי חייב לאסוף אותות אלה ביעילות תוך צמצום רעש אלקטרוני ודליפות זרמים.

מיקרו-עוניון מתייחס לכל אחת מהדרישות הללו בו-זמנית.

ראשית, דפוס ציטוגרפיה מאפשר הגדרה מדויקת של אלקטרודה גיאוגרפיהמטים, צמצום קיבול ואת סדרת רעש הקשורים סדרה. השני, דק-סרט טכניקות פיזור סרט המאפשר שימוש בחומרים עתירי גבוה עם פרופילים מבוקרים, שיפור יעילות איסוף המטען.שלישי, שלושה-ממדית הוראה יוצרת יחס גדול של פני השטח לנפחים אשר משפר את ההסתברות עבור חלקיקים חודרים חלש.

יכולות אלה הפכו את גלאי אלפא ממכשירים מורכבים, ואקום תלוי למכשירים בקנה מידה שבב הפועלים בטמפרטורת החדר עם צריכת חשמל מינימלית.

חוקי עיון ב-Fvor Micro Structures

תובנה קריטית המניעה מחקר מיקרו-תזונה היא כי חלקיק אלפא מרוויח מבניינים עם ממדים דומים או קטן יותר מהטווח של החלקיק.בסיליקון, חלקיק MeV alpha נע בערך 30 מיקרומטרים. אלמנטים Detector בגודל של 10-20 מיקרומטר ולכן סופג כמעט את כל האנרגיה של החלקיק, בעוד אלמנטים גדולים בהרבה מהטווח להוסיף נפח מת שתורמים רק רעש ורקע.

מיקרו-פטריבית מאפשרת בניית מערך הגלאיים שבו כל אלמנט מתאים בדיוק למרחק העצירה של חלקיק אלפא.זה תואם את עובי הגלאי הנדרש, מוריד מתח התפעולי, ומפחית את הרגישות לרקע גלימה-ריי.

התקדמות ב-Dtector Substrates

מדע חומרי הוא הבסיס של כל שיפור גלאי.טכניקות מיקרו-פטרייה פותחות את הדלת לחומרים שיהיו קשים או בלתי אפשריים לעבד בשיטות קונבנציונליות.

סיליקון ויהלומים

סיליקון חד-ממדי של סיליקון נותר חומר עבודתי עבור גלאי אלפא.עם זאת, מיקרו-פטריבית אפשרה את השימוש של FLT:0;0) שכבות גרפיטיות FLT:1 עם בדיוק מבוקר ו doping. מבנים אלה להפחית את השכבה המת - אזור פני השטח הלא פעיל שבו חלקיקי אלפא לאבד אנרגיה לפני יצירת אות - מעט כמו ננומטר.

(FLT:0CVDigture DiamondFLT:1 מייצג פריצת דרך נוספת לאחרונה. ⁇ כימי מייצרת גלי יהלומים פוליקליים של פוליקלליין המשלבים קשיחות קרינה עם זרם דליפות נמוך יותר. סגסוגת גבוהה של היהלום (5.5 eV) הופכת אותו כמעט חסין למבצע עיוור-שמש, תוך חיסול הצורך במתקני אור בהגדרות שדה.

סרט טלוויזיה דק-סרט Scintillators

(ב) גלאי אלפא מבוססי קיטור (Sams) נהנים מסרטים דקים של חומרים כגון FLT:0)ZnS:AgigveFLT:1 ו-FLT:2CsI:Tlibs:TlOVAF:3FLT 3 ספין-קויגל של ספין-קול מייצרת סרטים אחידים רק כמה מיקרומטרים - מספיק כדי לעצור חלקיקים דקים מספיק כדי למזעריים כדי למזער את הספקטרום של סיליקון או סיליקון אופטי ישירות על ידי סיליקון אופטי.

עבודה אחרונה על [21] ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מיניאוריזציה Enables Dense Detector Arrays

הכונן לעבר אלמנטים גלאיים קטנים יותר אינו רק תרגיל בסקאלה - הוא מאפשר ישירות יישומים חדשים הדורשים פתרון מרחבי, רגישות כיוון או טווח דינמי רחב.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מערך פיקסל מיקרו-מפוארמיק עכשיו להשיג ערכי מגרש מתחת ל-50 מיקרומטרים. A 256 × 256 מערך של 20 מיקרומטר מכסה שטח של רק 5.1 מ"מ × 5.1 מ"מ בלבד, המספק מצלמה קומפקטית עבור הדמיה חלקיקים אלפא.כל פיקסל מחובר לאלקטרוניקה לקריאה שלו באמצעות silicon באמצעות sp-p אג"ח אלה יכולים להתאים את אלפא-זיהום מקומי של חומרים מיקרוסקופיים על פני שטח מאפשר רזולוציה של מיקרוסקופית של מיקרוסקופית של מיקרוסקופית של חומרים מיקרוסקופית באמצעות מיקרוסקופית באמצעות מיקרוסקופית באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות מיקרוסקופית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה גרעינית, באמצעות רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה מיקרוסקופית.

צמצום היבול משפר את החלטת האנרגיה

פיקסלים קטנים יותר גם להפחית את האלקטרודה קיבולת.קפיאנטנס בקנה מידה ליניארי עם האזור, כך שפיקסל 20 מיקרומטר יש רק 4% של קיבול של 100 מיקרומטר פיקסל. קיבול נמוך יותר פירושו פחות רעש סדרה מן premplifier, לתרגם ישירות לתוך פתרון אנרגיה טובה יותר.

שיפור זה הוא קריטי להפרדה בין קווי פליטת אלפא מפלט מפלטים הדוקים - למשל, הפרדה 238 לייט (5.456 MeV) מ 239Pu (5.155 MeV) בדגימות סביבתיות.

אלקטרוניקה משולבת לעיבוד אותות על-Chip

אחת ההתפתחויות המשפיעות ביותר היא השילוב המונוליטי של אלמנטים גלאי עם אלקטרוניקה לקריאה על שבב יחיד. גישה זו מבטלת את הציפוי הטפיליטי ואת חנך של אג"ח חוט, מפחיתה איסוף מהתערבות אלקטרומגנטית חיצונית, ומאפשרת מכשירים קומפקטיים, מופעלים סוללות.

CMOS Monolithic Detectors

תהליכים CMOS-תואמים מאפשרים דידות גלאי, מגבר רגיש, מעצב מסננים, ועגלי דיגיטציה להתגורר באותו סיליקון תת-קרקעי.האזור הפעיל הגלאי תופס אזור של סיליקון אפיקסילי גבוה, בעוד המעגלים האנלוגיים והדיגיטליים מוטבעים באותו תהליך CMOS.

הגלאים המונוליטיים האלה פועלים עם צריכת חשמל מתחת ל-10 מ"ר לערוץ, מה שהופך אותם מתאימים למכשירים שמוחזקים ביד. רצפת הרעש המצומצמת מאפשרת זיהוי של חלקיקי אלפא באנרגיות נמוכות כמו 1 MeV, המשתרע על הטווח השימושי של הגלאי כדי לכלול איזוטופים פולטים אנרגיה נמוכה, כגון 147Sm (2.24 MeV).

המונחים: Application-Specific Integrated Circles

עבור מנגנונים גדולים מדי עבור שילוב מונוליטי מלא, טכניקות מיקרו-פליקט לייצר מעגלים משולבים ספציפית של פיזור 1 אשר מוכלים למערך הגלאי באמצעות מקלעים מוכרים או אינדונומים interconnects.כל פיקסל מתחבר ל-Preamplifier שלו, מתפורר ומעגל נגד ASIC יושב ישירות מתחת לגלאי הגלאי, רק על ידי מיקרומטר אחד.

גישה היברידית זו תומכת בערכים עם אלפי פיקסלים תוך שמירה על רעש נמוך ויכולת גבוהה ספירת שיעור - עד 10 מיליון ספירות לשנייה לכל פיקסל. יכולת ספירה מהירה חיונית למדידת מקורות אלפא ללא ערימה של הדופק.

3D מיקרו-הפצה לאזור Surface Area

אולי הגבול המרגש ביותר הוא השימוש של מיקרו-מחזור תלת-ממדי כדי ליצור גלאי גיאמטריה הממקסימה את שטח פני השטח פעיל בתוך טביעת רגל נתונה.

מבנה תעלות ועמודי

עמוק ion ion etching (DRIE) מייצר תעלות אנכיות עם יחסים היבטים מעל 100:1. גלאי סיליקון ניתן לעמוד על מנת ליצור מערך של תעלות עמוקות, עם הצבים הפועלים כמשטחי גלאי פעילים.תצורה זו מגבירה את אזור הגילוי יעיל על ידי גורם של 10 עד 50 בהשוואה למכשיר פלאאר של אותה טביעת רגל.

עבור חלקיקי אלפא, עומק התעלה הוא מתאים לטווח החלקיקים. A 30 מיקרומטר עמוק לוכד 5.5 MeV alphas מן הצד, בעוד חלון הכניסה בגודל 1 מיקרומטר על העליון מציג חומר מת מינימלי.התוצאה היא גלאי עם יעילות קרובה 100% עבור אלפאס תקרית מכל זווית בתוך ההמיסה.

בדומה לכך, ⁇ 0.100 מיקרופללר מערכי שטח 1 (FLT:0) המורכב מעמודי סיליקון 10-50 מיקרומטר בקוטר ו -100-300 מיקרומטרים גבוהים מספקים שטח גדול של פני השטח עבור לכידת אלפא.מגע מתכת שהופקד על עמודי התווך ליצור מחסום שטאקי שפועל כמו צומת הגלאי.

Membrane ו- Perforated Detectors

שחרור של מלמברנס דק באמצעות רטט רטוב או גירוד האחורי של ייצור גלאיים כי הם כמעט לחלוטין ללא חומר תת-מסובך בלתי פעיל. A השעוע סיליקון רק 15 מיקרומטרים עבה סופג כמעט את כל האנרגיה של 5 MeV alpha חלקיק תוך הוספת נפח מת מינימלי. גלאי מלברה אלה יכולים להיות נוצרו לתוך מערךים גדולים על שבב אחד, עם כל אחד של סיבי נתמך על ידי מסגרת סיליקון עבה שלה.

(FLT:0) גלאיים ממוחזרים 1:1 ללכת צעד אחד קדימה: המנברון הוא דפוס עם מערך של חורות דרך, כל אחד ממצופה חומר גלאי פעיל.אל חלקיקים עובר דרך החורים אינטראקציה עם הציפוי, יצירת אות.המבנה הפתוח מקטין את הרגישות לקרני גמא ו חלקיקים בטא, המספק גלאי זה הוא סלקטיבית לקרינת אלפא.

שיפורים אפשריים בביצוע Detector

ההתקדמות המתוארת לעיל תרגם לרווחים הניתנים למדידה על פני כמה מדדי ביצועים.

החלטות אנרגיה

גלאי סיליקון מתוכנתים Microfabricated עכשיו להשיג את רזולוציית אנרגיה יותר מ - 0.2% עבור 5.5 meV alphas. Diamond גלאי, עם הציפוי התחתון שלהם ניידות גבוהה יותר, להגיע ל-0.105% בתנאים אופטימליים.ערכים אלה מייצגים גורם של 2-3 שיפור על הגלאים קונבנציונליים של אותו חומר.

זיהוי יעילות

הגלאים המובנות 3D דוחקים יעילות זיהוי גיאומטרי מעל 50% למקורות שאינם רשומים הנמצאים בקרבתם.זהו שיפור דרמטי על גלאי פלאנר, אשר בדרך כלל משיג יעילות של 15-30% בתנאים דומים.היעילות הגבוהה מאפשרת זמני מדידה קצרים יותר עבור דגימות פעילות נמוכה ומפחיתה את הכוח הנדרש לניטור סביבתי.

ספירת הקיבולת

שילוב מונוליטי של אלקטרוניקה עיצוב מהיר מאפשר ספירת מחירים של מעל 5 מיליון ספירות לשנייה ללא הפסדים משמעותיים במשרה מתה.יכולת זו חיונית למדידת מחסני אלפא בזמן אמת או לחיקוי פסולת גרעינית של פעילות גבוהה.

רקע Rejection

גלאי סיליקון דקים ומפורשים מציגים ירידה ניכרת ברגישות gamma-ray. גלאי סיליקון חד-מחוסנים יכול להשיג יחס דחיית gamma של 106:1 תוך שמירה על 70% יעילות זיהוי אלפא.

דרישות נהיגה

השיפורים של הביצועים שנכללו על ידי מיקרו-פטריוט אינם רק אקדמיים – הם מאפשרים יכולות חדשות בשלושה תחומים עיקריים של יישומים.

שמירה גרעינית ואבטחה

גלאי אלפא הם חיוניים עבור חשבונאות חומרית גרעינית אימות אמנה. microfabricated תמונות לאפשר לפקחים לאתר ולהגדיר את אלפא-הההפחתת זיהום על פני השטח ובתוך gloveboxes. The FLT:0 טווח קצר של חלקיקי אלפאFLT:1 פירושו כי זיהום חייב להיות נגיש ישירות לגלאי, אבל ההחלטה הגבוהה של pelix מספקת תמונה באיכות גבוהה של עיבוד חומרים.

הגלאים האלה תומכים גם בגילוי של פעולות גרעיניות FLT:0 ⁇ FLT ( 1:1) על ידי זיהוי כמויות של איזוטופים אלפא-המיטה בדגימות סביבתיות שנאספו ליד מתקני חשד.הרגישות עולה ממבני 3D ואלקטרוניקה נמוכה יותר להפחית את הגבלת הגילוי לרמה של העובר עבור plutonium isotopes.

פיקוח סביבתי

פולטי אלפא טבעיים - בעיקר רודון ופרוגנוי - תורמים באופן משמעותי לחשיפה לקרינה רקע בסביבה פנימית וחיצונית.גלאים מיקרופאבריקים פרוסים ברשתות של מדגםי אוויר מספקים מדידה בזמן אמת של ריכוזי ראדון ברמה של כמה סלקלים למ"ק.

גילוי של חלקיקים אווירוסוליים (FLT:0) ממקורות תעשייתיים דורש מכשירים שיכולים להבחין בין ההסתברות הקצרה של ראדון מאיזוטופים אנתרוגניים כגון 239Pu ו-241Am. רזולוציה האנרגיה ודחיית הרקע המסופקת על ידי microfabricationcationcation מאפשר אפליה זו עם אמון גבוה במדידה אחת.

מכשירים ניידים במשקל פחות מ 1 קילווגרם עכשיו לספק ספקטרום אלפא באיכות מעבדה לשימוש שדה.הגודל מופחת וצריכת החשמל מאפשרים פריסה על מערכות אוויריות בעלות איכות מעבדה:0) 1 עבור מיפוי זיהום על פני אזורים גדולים.

ייצור Isotope

איזוטופים כגון 225Ac ו 213Bi מתעוררים ככלי רב עוצמה לטיפול ב-Apha ממוקד ב- Oncology.טווח קצר שלהם ברקמות (50-100 מיקרומטר) מגבילים את הנזק לתאי בריאות תוך מתן מנה גבוהה לתאי הגידול.

היכולת לצלם את אלפא פולטים ברזולוציה מיקרומטר תומכת גם היא:0 (autoradiography) 1 של דגימות רקמות, ומאפשר לחוקרים לדמיין את ההפצה המרחבית של תרופות להפחתת אלפא בתוך דגימות ביולוגיות.

כיוונים עתידיים למחקר

בעוד המצב הנוכחי של האמנות הוא מרשים, החוקרים רודפים כמה כיוונים בסיכון גבוה, גבוה יותר, שיכולים לשנות עוד את זיהוי אלפא.

חומרים מעבר ליהלומים וסיליקון

גליום ניטרד (GaN) וסיליקון carbide (SiC) מציעים קשיחות קרינה גבוהה יותר מאשר סיליקון והם תואמים תהליכים microfabrication שפותחו עבור חשמל אלקטרוניקה.חומרים אלה יכולים להאריך את חיי הגלאי בסביבות עתירה גבוהה כגון כור גרעיני ומאגרי דלק בילו.

חומרים דו-ממדיים, כולל FLT:0 grapheneFigphcio1 ו-FLT:2transition מתכת dichalcogenidesveFLT 3, נלמדים על הפוטנציאל שלהם בגלא-תאיפאלא-איפאלא-אין.גל מבוסס גרפן יכלול שכבה אחת של פחמן שפועלת כמו הקולט והערוץ הפעיל, בעוד מכשירים אלה עדיין נמצאים בשלב מוקדם של המחקר, הם מגבלות חומריות ומהירותם של חומר דקות.

שילוב מתקדם וחבילה

הפיתוח של אינטגרציית האינטגרציה של FLT:0 [Hheterogeneous אינטגרציהFLT:1] טכניקות משלבים גלאי עם ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים, זיכרון, ו transceivers אלחוטיים בחבילות שבב דחוסות בצפיפות.אלה מודולים משולבים לחלוטין יצטרכו רק כוח וחיבור רשת לפעול באופן אוטונומי.

החוקרים גם חוקרים את החוקרים (FLT:0) , 000 מקיפים את ה- 1 (האפשרו ייצור רול-to-roll של גלי גלאי אלפא גדולים-ראווה.אלה יכולים להיות מוצבים כמחסומים זמניים של זיהום או עטוף סביב משטחים לא סדירים כדי לפקח על פליטת אלפא.

Machine Learning for Data Processing

שיעורי ספירה גבוהים ונפיחות פיקסל הניתנים על ידי microfabricationcationcationcation לייצר זרמי נתונים העולה על יכולת העיבוד של אלגוריתמים קונבנציונליים.FLT:0On-chip למידת מאיצים של מחשבי מיקרו-FLT:1 נמצאים בפיתוח כדי לבצע בצורת הדופק בזמן אמת, אפליה, דחיית ערמות, וזיהוי איזוטופ ישירות על הגלאי.

רשתות עצביות מאומנים יכולות לזהות את החתימה של חלקיקי אלפא גם בנוכחות רקע גמא גבוה, שיפור נוסף יחס הדחייה והורדת סף זיהוי.

השלכות על השדה

ההתכנסות של מדעי החומרים, מיקרו-תזונה ואלקטרוניקה משולבת יוצרת גלאי אלפא עם מדדי ביצועים שלא היו ניתנים לדמיון לפני עשור. מכשירים שפעם דרשו ספסל מלא משאבות ואקום ואלקטרוניקה NIM עכשיו מתאימים בכף היד ופועלים על סוללות חד-משמעיות.

מכשירים אלה הופכים כלים חיוניים לביטחון גרעיני, הגנה סביבתית ופיסיקה רפואית.כפי שחוקרים ממשיכים לדחוף את הגבולות של מה שניתן יהיה להצטבר בקנה מידה מיקרומטר, הרגישות, הספציפיות והזמינות של גלאי אלפא רק ישתפרו.

The ultimate beneficiary is the public safety and scientific community, which gains ever-more capable instruments for detecting and characterizing alpha radiation in the world around us.