Інноваційна розробка координатно-чутливого детектора сфокусованих іонних пучків для спектроскопії

Abstract

Вступ. Актуальним завданням для сучасної аналітичної апаратури, призначеної для кількісного аналізу багатоелементних за складом речовин, є створення багатоканальних координатно-чутливих детекторів (КЧД) заряджених частинок для спектроскопії, які працюють в реальному масштабі часу. Проблематика. В Інституті мікроприладів (ІМП) НАНУ було розроблено велику інтегральну схему (ВІС) для КЧД, на базі якої та з використанням мікроканальних пластин (МКП) було спроектовано й виготовлено експериментальні зразки приладів КЧД. Виконані в Інституті прикладної фізики (ІПФ) НАНУ дослідження показали позитивні характеристики приладу, зокрема його високу чутливість. Було підтверджено доцільність подальшого проведення робіт. Мета. Створення багатоканальних приладів КЧД нового покоління з розширеним полем аналізу та покращеними технічними характеристиками. Матеріали й методи. В розробленому приладі КЧД використано МКП F4772-01 фірми Hamamatsu, Японія. ВІС виготовлено за КМОН-технологією з проектними нормами 1 мкм, кишенями n-типу, 384 електродами-датчиками і 218603 транзистора на кристалі розміром 9,8 × 8,9 мм. Мікросхему виконано в бескорпусном варіанті на гнучких носіях типу алюміній-поліімід (модифікація 2). Результати. Cтворення п'ятикристального КЧД нового покоління з покращеними технічними характеристиками забезпечило розширення поля одночасного аналізу просторового розподілу іонних пучків довільного складу та, відповідно, діапазон елементів, які аналізуються одночасно, дозволило підвищити швидкодію при аналізі і при зчитуванні інформації в 5 і 2,5 рази відповідно. Висновки. Використання схемотехнічного рішення, яке захищено патентом України № 117788, значно зменшило залежність чутливості детектора від розбіжностей конструктивних параметрів транзисторів підсилювача-формувача, що дало можливість створити п'ятикристальний прилад КЧД нового покоління і забезпечило розширення діапазону елементів, які одночасно аналізуються. Використання для виготовлення кристалів ВІС сучасної КМОН-технології, оптимізація схемотехнічних і топологічних рішень дозволили одержати високі технічні характеристики приладу КЧД.

Introduction. The urgent task for modern analytical apparatus designed for quantitative analysis of multi-elemental composition of substances is to create multichannel coordinate-sensitive detectors (CSD) of charged particles for spectroscopy, which operate in real time. Problem Statement. The Institute of Microdevices (IMD) of the NAS of Ukraine has developed a large integrated circuit (LIC) for CSD based on which using microchannel plates (MCP), experimental samples of CSD devices have been designed and manufactured. The studies carried out at the Institute of Applied Physics (IAP) of the NAS of Ukraine have shown high characteristics of the device, in particular, its high sensitivity. The feasibility of further research has been confirmed. Purpose. To create a new generation of multichannel CSD devices with expanded field of analysis and improved technical characteristics. Materials and Methods. The developed CSD device uses the F4772-01 MCP of Hamamatsu, Japan. The LIC is manufactured using the CMOS technology with design standards of 1 μm, n-type pockets, 384 electrode sensors, and 218603 transistors on a 9.8 × 8.9 mm crystal. The microcircuit is made in a discrete wafer form, on flexible carriers of aluminumpolyimide type (modification 2). Results. The development of a new generation 5-crystal CSD device has enabled expanding the field of simultaneous analysis of the spatial distribution of ion beams of arbitrary composition and, accordingly, the range of elements analyzed simultaneously, as well as increasing the speed of analyzing and reading data 5 and 2.5 times, respectively. Conclusions. The use of the circuitry solution protected by the Patent of Ukraine № 117788 has significantly reduced the dependence of detector sensitivity on the differences in the design parameters of the amplifier-driver transistors, which has made it possible to create a new generation 5-crystal CSD device and to expand the range of elements analyzed simultaneously. Using the advanced CMOS technology for the manufacture of LIC crystals, optimization of circuit design and topological solutions have enabled obtaining high technical characteristics of the CSD device.

Введение. Актуальной задачей для современной аналитической аппаратуры, предназначенной для количественного анализа многоэлементных по составу веществ, является создание многоканальных координатно-чувствительных детекторов (КЧД) заряженных частиц для спектроскопии, работающих в реальном масштабе времени. Проблематика. В Институте микроприборов (ИМП) НАНУ была разработана большая интегральная схема (БИС) для КЧД, на базе которой и с использованием микроканальных пластин (МКП) были спроектированы и изготовлены экспериментальные образцы приборов КЧД. Выполненные в Институте прикладной физики (ИПФ) НАНУ исследования показали высокие характеристики прибора, в частности его высокую чувствительность. Была подтверждена целесообразность дальнейшего проведения работ. Цель. Создание многоканальных приборов КЧД нового поколения с расширенным полем анализа и улучшенными техническими характеристиками. Материалы и методы. В ИМП НАНУ, в соответствии с «Программой научного приборостроения НАН Украины», выполнена научная работа, в результате которой была разработана новая специализированная БИС на основе использования современной технологии комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП), проведена оптимизация схемотехнических и топологических решений, и на ее основе разработан пятикристальный прибор КЧД. Результаты. Разработка пятикристального прибора КЧД нового поколения обеспечила расширение поля одновременного анализа пространственного распределения ионных пучков произвольного состава и, соответственно, диапазон элементов, которые анализируются одновременно, позволила повысить быстродействие при анализе и при считывании информации в 5 и 2,5 раза соответственно. Выводы. Использование схемотехнического решения, которое защищено патентом Украины № 117788, значительно уменьшило зависимость чувствительности детектора от расхождения конструктивных параметров транзисторов усилителя-формирователя, что позволило создать пятикристальный прибор КЧД нового поколения и обеспечило расширение диапазона элементов, которые одновременно анализируются. Использование для изготовления кристаллов БИС современной КМОП-технологии, оптимизация схемотехнических и топологических решений позволили получить высокие технические характеристики прибора КЧД.