Новая специализированная СБИС, разработанная на кафедре микро- и наноэлектроники, найдёт применение в медицинских ядерных томографах и прецизионных радиометрах

Кремниевые фотоэлектронные умножители (КФЭУ) – это детекторы импульсного оптического излучения на основе ячеек, содержащих массив лавинных фотодиодов с гасящими резисторами, ограничивающими гейгеровский разряд. Конструктивно микросхемы КФЭУ реализуются в виде отдельных детекторных элементов – ячеек, включающих от сотен до десятков тысяч микроячеек, а также в виде фотоматриц, состоящих из таких элементов. Такие приборы характеризуются высокой чувствительностью (способны регистрировать отдельные фотоны) и высоким быстродействием. По сравнению с традиционно применяемыми вакуумными фотоэлектронными умножителями, КФЭУ имеют малые размеры, относительно низкую стоимость, не чувствительны к магнитным полям и обладают значительно более низкий уровень энергопотребления.

Первые в мире КФЭУ были созданы в конце прошлого века на предприятии ФГУП «НПП «Пульсар» на базе исследований, выполненных совместно с сотрудниками Московского инженерно-физического института (сейчас Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»). В настоящее время они нашли широкое применение в медицине, в частности, в позитронно-эмиссионных томографах и гамма-камерах, а также в физических установках. Активно развивается новое направление, связанное с использованием КФЭУ в портативных приборах для детектирования ионизирующих излучений и радионуклидов. Такие приборы стали применяться для обеспечения личной безопасности и выявления признаков неконтролируемого и злонамеренного использования радиоактивных веществ.

Для съема и обработки сигналов единичных элементов и матриц КФЭУ существует ряд микросхем. Число каналов в них достигает 256 при реализации в виде системы в корпусе или на гибком носителе. Подавляющая часть из них предназначена для применения в медицинских томографах и многоканальных детекторах физических установок. Использование таких ИМС в портативной аппаратуре, где число элементов матриц КФЭУ пока не превышает 9, энергетически не эффективно и функционально избыточно.

С целью решения такой задачи был создан комплект из двух специализированных СБИС – аналоговой и аналого-цифровой. Первая ИМС головного аналогового модуля содержит 6 каналов обработки сигналов КФЭУ, из них 3 канала с токовым входом и 3 канала с входом по напряжению. Каждый канал содержит программируемый предусилитель, интегратор со стабилизатором базовой линии, программируемый усилитель, амплитудный дискриминатор, два программируемых таймера, фильтр нижних частот, пиковый детектор и выходной буфер со схемой подстройки базовой линии. Вторая аналого-цифровая ИМС имеет 9 основных и один вспомогательный канал, каждый из которых включает в себя 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) c максимальной частотой выборки 150 кГц, а также элементы системы опроса каналов. Микросхема содержит также буферную память типа FIFO и встроенный прецизионный источник опорных напряжений. Отличительной особенностью этой ИМС является низкий уровень потребляемой мощности, которая не превосходит 0,5 мВт на канал при частоте выборки 100 кГц. Конфигурирование, программирование параметров микросхем и обмен данными с внешними устройствами осуществляется через последовательные интерфейсы.

Разработанный комплект специализированных СБИС позволяет построить полнофункциональную систему съема и аналого-цифрового преобразования сигналов матриц КФЭУ с числом каналов до 9 без использования дополнительных элементов. Планируется использование этих микросхем и их усовершенствованных версий в перспективной отечественной медицинской аппаратуре, в том числе, в проекте создания гамма камеры, а также в портативных детекторах радиоактивных веществ.