О проекте
Мультиспектральные детекторы цифрового рентгеновского изображения
В рамках проекта будет решена задача создания первого отечественного детектора, построенного на HR-GaAs:Cr (арсенид галлия, компенсированный хромом). Технология производства этого материала не имеет мировых аналогов.
Детекторы будут инсталлированы в исследовательские установки уровня мегасайенс (СКИФ, СИЛА), они необходимы для создания новой медицинской техники и вывода диагностики на новый уровень, неразрушающего контроля продукции и развития отечественной промышленности. Мировые рынки составляют 20 млрд долларов США с ежегодным ростом в 20 %.
С помощью детекторов можно получать цифровые снимки в рентгеновском диапазоне с эффективностью ~ 98 % и с более высокими разрешением, контрастом и детализацией. С цифровыми изображениями легко проводит компьютерные манипуляции и обработку — например, объединить несколько макроснимков в изображение всего объекта и представить монохромные изображения не в оттенках серого, как это делается в традиционных детекторах, а в виде полноцветного RGB-изображения.
Важнейшим достоинством конечного продукта является способность детекторов к одновременной регистрации и визуализации анатомии объекта в виде цветовой цифровой рентгеновской картинки в различных энергетических диапазонах. Это обуславливает возможность качественного повышения информативности рентгеновского изображения не только за счет более точного определения оптической плотности объекта исследований, но и идентификации элементного состава материала объекта исследований и его структуры.
Результаты
Конечным продуктом является комплектный детектор, который может служить приемной частью любой рентгеновской системы. Сенсоры и детекторы, изготавливаемые на базе Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ, могут быть использованы в установках уровня мегасайенс, медицинской технике, например, установках МРТ, в российской промышленности для неразрушающего контроля выпускаемой продукции.
Характеристики:
- Эффективность сенсора составляет 98 % в диапазоне энергии рентгеновских квантов 10-120 кэВ. Диапазон разделяется на заданное число поддиапазонов энергий, в каждом из которых осуществляется рентгеновский снимок. Специальной программой эти снимки совмещаются, по ним вычисляется фазовый и элементный состав исследуемого объекта, что является уникальной характеристикой продукта.
R&D-центр ТГУ «Перспективные технологии в микроэлектронике» (ПТМ) имеет технологическую инфраструктуру для изготовления монолитных (МИС) и гибридных (ГИС) интегральных схем. В 2022-2024 годах в рамках проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ, сотрудники центра смогли решить задачу, которую ранее никто в мировой науке не решал, — создали принципиально новый класс сенсоров с радиационной стойкостью в 1 000 раз выше, чем у самых надежных кремниевых детекторов. Это обеспечивает функциональность и долговечность новых устройств. Новые сенсоры были использованы при создании первого российского детектора GINTOS изготовленного совместно с ИЯФ СО РАН для источника синхротронного излучения СКИФ.
Координатный детектор на полупроводниках GINTOS с сенсорами, разработанными и произведенными в ТГУ, при тестировании показал стабильную устойчивость к высокой энергетической и радиационной нагрузке. Он будет установлен на станции исследования быстропротекающих процессов. Здесь будут изучать реакцию материалов на импульсные тепловые и механические нагрузки.
Сенсоры, разработанные в ТГУ для СКИФа, могут производить съемку со скоростью до 10 миллионов кадров в секунду. Они преобразуют фотонный сигнал в электрический, а электроника регистрирует этот сигнал и передает изображение в компьютер в фильмовом формате. GINTOS будет установлен на станции исследования быстропротекающих процессов СКИФа.
Потенциал внедрения
До 2022 года основными рынками поставки HR-GaAs:Cr-материала и многоэлементных (матричных и микрополосковых) сенсоров были США, Европа и Япония. С 2022 года ТГУ переориентировался на страны ШОС (Китай, Бразилия, Иран, Индия, Узбекистан, Беларусь) и внутренний рынок РФ.
Внутренний рынок РФ: ГК «Росатом» (ФГУП «ВНИИА», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ», АО «НИИП», АО «СНИИП», АО «ТВЭЛ», АО «СХК», ООО «ФИНПРОМАТОМ» и др.), а также научные организации, работающие в области экспериментальной физики высоких энергий и конструирования экспериментальных станций синхротронных источников нового поколения «СКИФ», «РИФ», «КИСИ», «СИЛА» (НИЦ «Курчатовский институт», «ИФВЭ» (Протвино), Объединенный институт ядерной физики (Дубна), где строится российский суперколлайдер NICA, ИЯФ СО РАН, ИСЭ СО РАН, НИИСИ РАН и другие.
Активное развитие этого направления позволит создать и развить в России подотрасль рентгеноскопии и радиографии, которая решит проблемы замещения импортного оборудования медицинского, научного и промышленного назначения.
ТГУ является лидером и единственным разработчиком и поставщиком HR-GaAs:Cr-материала и сенсоров в России, поэтому потенциальный рынок оценивается в 100 %.
Дополнительная информация
R&D-центр исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» создан на базе ТГУ 20 лет назад. В его состав входит несколько лабораторий и конструкторское бюро, лаборатория детекторов синхротронного излучения и лаборатория «Микроэлектроника мультиспектральной квантовой интроскопии» созданы при поддержке нацпроекта «Наука и университеты».
На базе радиофизического факультета ТГУ осуществляется подготовка специалистов, способных создавать новые продукты в области микроэлектроники. Наряду с этим ежегодно для молодых ученых проводятся школы по синхротронному излучению. Курсы лекций по данному направлению читают ведущие российские эксперты, в их числе признанный специалист с мировым именем, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Лев Шехтман (индекс Хирша 102).
«Рентгеновский детектор — это ключевая единица всех экспериментальных станций источника синхротронного излучения, без них невозможен ни один исследовательский проект. Технологии изготовления детекторов в постсоветское время в России были утрачены, поэтому такие изделия в основном закупались за рубежом. Сейчас стране очень нужны свои детекторы, поэтому результат работы ученых ТГУ и ИЯФ СО РАН — это существенный технологический прорыв». Ян ЗубавичусЗаместитель директора ЦКП «СКИФ» по научной работе
«HR-GaAs:Cr-материал и сенсоры признаны визитной карточкой Томского государственного университета в мировом научном сообществе». Олег ТолбановДиректор R&D-центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ