Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разрабатывают уникальный пиксельный детектор PixelVision. Устройство способно регистрировать отдельные фотоны рентгеновского диапазона и измерять их энергию. Это даст возможность собирать информацию для глубокого изучения состава материалов и биологических тканей, а также создавать рентгеновские изображения в цвете.
Принцип работы рентгеновского аппарата, при котором формируется черно-белое изображение, основан на способности рентгеновских лучей проходить через объекты и по-разному поглощаться в зависимости от плотности материала. Самая контрастная часть снимка — кости, они яркие, белые, с четкими контурами. Мягкие ткани частично поглощают излучение, поэтому они светло- или темно-серые. Полости, в которых находится воздух, черного цвета. Но метод не позволяет исследовать энергию отдельных фотонов, что сказывается на эффективности диагностики. Ожидается, что с этим недостатком как раз справится детектор PixelVision.
Детектор состоит из двух слоев. Верхний — сенсор на основе арсенида галлия, важного полупроводника, разработанного в Томском государственном университете. Когда фотоны сталкиваются с материалом сенсора, происходит ионизация, в результате которой образуются электрон-дырочные пары. Их количество пропорционально энергии поглощенного фотона.
Нижний слой создан в НИУ МИФИ и представляет собой специализированную микросхему. Она предназначена для считывания, обработки зарядов и преобразования сигналов в данные о пространственном распределении и энергии фотонов. Микросхема размером 20×20 мм будет включать 256×256 пикселей. Но сначала разработчики создадут прототип с матрицей 32×32 пикселя.
Устройство регистрирует заряды величиной несколько тысяч электронов (~1,6×10⁻¹⁶ Кл). Это очень маленький заряд, поэтому сенсор должен быть высокочувствительным. Для этого в сенсорах часто применяется технология КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник). КМОП-структуры обеспечивают низкое потребление энергии и высокую плотность интеграции, что делает их идеальными для работы с малыми сигналами и позволяет эффективно обрабатывать данные даже при минимальных уровнях заряда.
Один из авторов проекта, аспирант НИУ МИФИ Салават Ямалиев пояснил, что использование детектора в медицине позволит получать четкие цветные рентгеновские снимки и уменьшит облучение пациентов, так как время съемки будет короче. Технология также будет полезна в системах досмотра и промышленном неразрушающем контроле.
Ожидается, что разработка прототипа завершится к началу 2026 года.
