Сотрудники БФУ разработали новую рентгеновскую камеру

Без источников рентгеновских лучей невозможно представить ни медицинские, ни дефектоскопические исследования, ни мероприятия, связанные с обеспечением безопасности. За 128 лет они прошли путь от рентгеновской трубки до современных установок мегасайенс-класса.

Рентгеновское излучение является невидимым (Х-лучи) и чтобы получить изображение объекта исследователям необходимо его преобразовать. Неудивительно, что параллельно с усовершенствованием источников излучения наблюдается развитие систем их детектирования: от фотографической пленки и точечных источников к двумерным полупроводниковым детекторам, способным записывать сотни картинок в секунду с очень хорошей детализацией (миллионы пикселей).

Александр Астафьев, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
До появления современной цифровой техники записи изображения применялся фотографический метод, т.е. когда излучением засвечивались специальные пленки или пластины с нанесенной на них фоточувствительной эмульсией. Этот метод позволяет получить изображение объекта исследования, однако, изучить объект в динамике практически невозможно. Появление цифровых устройств записи, основанных на полупроводниковой микроэлектронике, позволило получить изображение объекта в момент времени, а также, сделать серию таких изображений, рассматривая которые, как слайд-шоу, можно наблюдать объект в динамике. Также, использование подобных детекторов значительно облегчает хранение, обработку, анализ и передачу полученных рентгеновских снимков.

Александр Астафьев, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

До появления современной цифровой техники записи изображения применялся фотографический метод, т.е. когда излучением засвечивались специальные пленки или пластины с нанесенной на них фоточувствительной эмульсией. Этот метод позволяет получить изображение объекта исследования, однако, изучить объект в динамике практически невозможно. Появление цифровых устройств записи, основанных на полупроводниковой микроэлектронике, позволило получить изображение объекта в момент времени, а также, сделать серию таких изображений, рассматривая которые, как слайд-шоу, можно наблюдать объект в динамике. Также, использование подобных детекторов значительно облегчает хранение, обработку, анализ и передачу полученных рентгеновских снимков.

Поскольку достаточно проблематично напрямую создать полупроводниковую матрицу с малым (менее 1 микрометра) размером пикселя обычно применяется следующая система: используется кристалл сцинтиллятор, преобразующий рентгеновское излучение в видимое, оптическая система, позволяющая увеличить или уменьшить полученное на кристалле изображение и матрица видимого диапазона с небольшим размером пикселя. Таким образом, можно получить высокое пространственное разрешение в рентгеновском диапазоне используя коммерчески доступные решения (матрицы). Именно такой детектор был предложен ученым БФУ Анатолием Снигиревым с коллегами из ESRF еще в 1998 году, и это решение успешно применяется по сей день.

Описываемый подход лег в основу разработанного и протестированного сотрудниками МНИЦ «РО» нового устройства — рабочего прототипа рентгеновского детектора. Созданный коллективом высокоскоростной детектор позволяет не только наблюдать статические картинки, но и записывать наблюдаемые процессы в динамике, сохраняя до 20 кадров в секунду Достигается подобная скорость за счет использования технологии комплементарной металл-оксид-полупроводник структуры (КМОП).

Игорь Панормов, ведущий инженер Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
Важным параметром любой электронной системы фиксации изображения является собственный шум электроники. Особенно данный параметр важен для фиксации слабых сигналов, что актуально для записи рентгеновских «снимков» в силу ряда причин: небольшой поток фотонов, генерируемых традиционными источниками (например, рентгеновской трубкой), малый контраст многих исследуемых объектов, например, биологических, необходимость зафиксировать достаточно фотонов в каждом из миллионов пикселей используемого сенсора. Соответственно возникает важная задача: минимизировать шумы электроники. Поскольку большинство шумов в полупроводниковой электронике возникает за счет нагрева, то и бороться с подобными шумами можно охлаждая систему. В нашем детекторе это достигается за счет охлаждения сенсора при помощи элемента Пельтье, интегрированного в камеру.

Игорь Панормов, ведущий инженер Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

Важным параметром любой электронной системы фиксации изображения является собственный шум электроники. Особенно данный параметр важен для фиксации слабых сигналов, что актуально для записи рентгеновских «снимков» в силу ряда причин: небольшой поток фотонов, генерируемых традиционными источниками (например, рентгеновской трубкой), малый контраст многих исследуемых объектов, например, биологических, необходимость зафиксировать достаточно фотонов в каждом из миллионов пикселей используемого сенсора. Соответственно возникает важная задача: минимизировать шумы электроники. Поскольку большинство шумов в полупроводниковой электронике возникает за счет нагрева, то и бороться с подобными шумами можно охлаждая систему. В нашем детекторе это достигается за счет охлаждения сенсора при помощи элемента Пельтье, интегрированного в камеру.

Детектор может быть использован для решения различных задач: от исследования материалов до получения изображений живых организмов. Отдельно стоит отметить возможность применения устройства для диагностики рентгеновской оптики и настройки любых инструментов, что является незаменимым для современных источников, особенно на синхротронах четвертого поколения. Детектор может быть использован для рентгеновской микроскопии, имиджинга (в том числе когерентного дифракционного имиджинга включая птихографию), томографии, топографии, интерферометрии, а также высокоразрешающей дифракции.

Дмитрий Зверев, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
Схема, в которой между сцинтиллятором и матрицей собрана оптическая система достаточно удобна: меняя параметры оптики (подбирая нужные линзы) можно получить желаемые параметры детектора. Следовательно, можно создать оптимальный детектор для любых научных, медицинских или технических проектов.

Дмитрий Зверев, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

Схема, в которой между сцинтиллятором и матрицей собрана оптическая система достаточно удобна: меняя параметры оптики (подбирая нужные линзы) можно получить желаемые параметры детектора. Следовательно, можно создать оптимальный детектор для любых научных, медицинских или технических проектов.

Мария Воеводина лаборант-исследователь Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
Нам удалось разработать сцинтилляционный детектор, который был протестирован на базе нашего лабораторного микрофокусного источника. Результаты показали, что наш детектор способен разрешать микронную структуру Звезды Сименса порядка 1 мкм, а исследование беспозвоночного животного — многоножки — показало, что детектор обладает высоким контрастом финального изображения. Использование такого детектора на источниках синхротронного излучения позволит проводить различные исследования с высоким разрешением, а БФУ станет основным поставщиком сцинтилляционных детекторов для всех научных исследовательских комплексов класса Мегасайенс.

Мария Воеводина лаборант-исследователь Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

Нам удалось разработать сцинтилляционный детектор, который был протестирован на базе нашего лабораторного микрофокусного источника. Результаты показали, что наш детектор способен разрешать микронную структуру Звезды Сименса порядка 1 мкм, а исследование беспозвоночного животного — многоножки — показало, что детектор обладает высоким контрастом финального изображения. Использование такого детектора на источниках синхротронного излучения позволит проводить различные исследования с высоким разрешением, а БФУ станет основным поставщиком сцинтилляционных детекторов для всех научных исследовательских комплексов класса Мегасайенс.

Устройство было представлено российскому синхротронному сообществу на IX Международном форуме технологического развития «Технопром-2022», который прошел в формате российской технологической недели в Новосибирске с 23 по 26 августа. В рамках центральной экспозиции, посвященной одному из ключевых научно-технологических проектов страны — Сибирскому кольцевому источнику фотонов (СКИФ). был размещён стенд МНИЦ РО, где было представлено разработанное и изготовленное оборудование экспериментальных станций.

Анатолий Снигирев, директор Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
Кроме составных преломляющих линз, ставших уже традиционными элементами рентгеновской оптики на исследовательских станциях синхротронных источников, мы представили: компактный рентгеновский трансфокатор, который представляет собой объектив переменного фокусного расстояния, устройство, позволяющее выровнять фон изображения и получить более полную информацию об исследуемых объектах, а также нашу новую разработку — высокоразрешающую рентгеновскую камеру — т.н. «рентгеновский глаз». Мы не изготавливаем преобразователь рентгеновского излучения в видимое, который является по сути сетчаткой нашего «глаза». Основная интрига в оптимизации используемой оптики. Широкие перспективы применения этого устройства связаны с тем, что мы можем создать, целую серию устройств, которые в зависимости от поставленной задачи будут перекрывать диапазон от простого заглядывания внутрь т.е. по сути эндоскопия до совершенно определённого и ориентированного детектора для применения в методах высокоразрешающей дифракции и имиджинга, включая томографию, топографию и т.д. Безусловно, такие разработки взывают неподдельный интерес, так как могут служить прекрасным примером технологического суверенитета России.

Анатолий Снигирев, директор Международного научно-исследовательского центра «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

Кроме составных преломляющих линз, ставших уже традиционными элементами рентгеновской оптики на исследовательских станциях синхротронных источников, мы представили: компактный рентгеновский трансфокатор, который представляет собой объектив переменного фокусного расстояния, устройство, позволяющее выровнять фон изображения и получить более полную информацию об исследуемых объектах, а также нашу новую разработку — высокоразрешающую рентгеновскую камеру — т.н. «рентгеновский глаз». Мы не изготавливаем преобразователь рентгеновского излучения в видимое, который является по сути сетчаткой нашего «глаза». Основная интрига в оптимизации используемой оптики. Широкие перспективы применения этого устройства связаны с тем, что мы можем создать, целую серию устройств, которые в зависимости от поставленной задачи будут перекрывать диапазон от простого заглядывания внутрь т.е. по сути эндоскопия до совершенно определённого и ориентированного детектора для применения в методах высокоразрешающей дифракции и имиджинга, включая томографию, топографию и т.д. Безусловно, такие разработки взывают неподдельный интерес, так как могут служить прекрасным примером технологического суверенитета России.

В материале упоминаются

Снигирёв Анатолий Александрович

директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс»

Публикации в СМИ