मेडिपिक्स

मेडिपिक्स एक अंतरराष्ट्रीय सहयोग द्वारा विकसित फोटॉन की गिनती और कण ट्रैकिंग पिक्सेल डिटेक्टरों का एक परिवार है, जिसकी मेजबानी CERN द्वारा की जाती है।

डिजाइन
ये हाइब्रिड पिक्सेल डिटेक्टर हैं क्योंकि सेमीकंडक्टर सेंसर परत एक प्रसंस्करण इलेक्ट्रॉनिक्स परत से बंधी होती है।

सेंसर परत एक अर्धचालक है, जैसे सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड, या कैडमियम टेल्यूराइड जिसमें घटना विकिरण एक इलेक्ट्रॉन छेद/बादल बनाता है। इसके बाद चार्ज को पिक्सेल इलेक्ट्रोड में एकत्र किया जाता है और बम्प बॉन्ड के माध्यम से CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स परत पर ले जाया जाता है।

पिक्सेल इलेक्ट्रॉनिक्स पहले सिग्नल को बढ़ाता है और फिर सिग्नल आयाम की तुलना प्री-सेट भेदभाव स्तर (एक ऊर्जा सीमा) के साथ करता है। बाद की सिग्नल प्रोसेसिंग डिवाइस के प्रकार पर निर्भर करती है। यदि सिग्नल भेदभाव स्तर से ऊपर है तो एक मानक मेडिपिक्स डिटेक्टर काउंटर को उचित पिक्सेल में बढ़ाता है। मेडिपिक्स डिवाइस में एक ऊपरी भेदभाव स्तर भी होता है और इसलिए केवल आयाम की सीमा के भीतर के संकेतों को ही स्वीकार किया जा सकता है (एक एनर्जी विंडो के भीतर)।

टाइमपिक्स डिवाइस गिनती के अलावा ऑपरेशन के दो और तरीके पेश करते हैं। पहले वाले को "टाइम-ओवर-थ्रेशोल्ड" मोड कहा जाता है ( विल्किन्सन एडीसी | विल्किंसन टाइप एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर)। यह एक ऐसी विधा है जहां प्रत्येक पिक्सेल में काउंटर उन घड़ियों की संख्या को रिकॉर्ड करता है जिनके लिए स्पंद भेदभाव स्तर से ऊपर रहता है। यह संख्या ज्ञात विकिरण की ऊर्जा के समानुपाती होती है। यह मोड कण ट्रैकिंग अनुप्रयोगों या प्रत्यक्ष स्पेक्ट्रल इमेजिंग के लिए उपयोगी है।

Timepix चिप का दूसरा मोड "आगमन का समय" है, जिसमें पिक्सेल काउंटर भेदभाव स्तर से ऊपर ऊर्जा के साथ एक ट्रिगर और विकिरण क्वांटा का पता लगाने के बीच का समय रिकॉर्ड करते हैं। ऑपरेशन के इस तरीके को उड़ान का समय (टीओएफ) अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए न्यूट्रॉन इमेजिंग में।

विकिरण के प्रत्येक व्यक्तिगत हिट को प्रत्येक पिक्सेल में इस तरह से एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा संसाधित किया जाता है, इसलिए डिवाइस को 65 536 व्यक्तिगत गिनती डिटेक्टरों या यहां तक ​​कि स्पेक्ट्रोमीटर के रूप में माना जा सकता है। ऊर्जा विवेचक समायोज्य हैं। इसलिए, उनके स्तर के साथ स्कैनिंग से आने वाले विकिरण की आवृत्ति-बैंड को मापना संभव है; इस प्रकार स्पेक्ट्रोस्कोपिक एक्स-रे इमेजिंग को सक्षम करना।

Medipix-2, Timepix, और Medipix-3 सभी 256×256 पिक्सेल हैं, प्रत्येक 0.055mm (55μm) वर्ग है, जो कुल क्षेत्रफल 14.08mm × 14.08mm बनाता है। बम्प-बॉन्डिंग मल्टीपल चिप्स को बड़े मोनोलिथिक सेंसर से जोड़कर बड़े एरिया डिटेक्टर बनाए जा सकते हैं। 2x2 से 2x4 चिप्स के आकार के डिटेक्टर आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं। एजलेस सेंसर तकनीक का उपयोग करके और भी बड़े, गैपलेस क्षेत्रों का निर्माण किया जा सकता है। मेडिपिक्स/टाइमपिक्स चिप्स में प्रत्येक का अपना सेंसर होता है। इन असेंबली को एक दूसरे के बगल में टाइल किया जाता है ताकि लगभग मनमाने ढंग से आकार की डिटेक्टर सरणी बनाई जा सके (इस तकनीक का उपयोग करने वाले सबसे बड़े निर्माण में 10x10 चिप्स हैं, इसलिए 14x14 सेमी और 2560x2560 पिक्सेल ).

मौजूदा तकनीकों के साथ तुलना
फोटॉन काउंटिंग पिक्सेल डिटेक्टर अगली पीढ़ी के विकिरण इमेजिंग डिटेक्टरों का प्रतिनिधित्व करते हैं। फोटॉन काउंटिंग तकनीक वर्तमान इमेजिंग उपकरणों की सीमाओं को पार कर जाती है। मौजूदा तकनीकों के साथ फोटॉन काउंटिंग की तुलना निम्न तालिका में है:

संस्करण
मेडिपिक्स-1 मेडिपिक्स परिवार का पहला उपकरण था। इसमें 170 माइक्रोमीटर पिच के 64x64 पिक्सेल थे। पिक्सेल में 3-बिट प्रति-पिक्सेल ऑफ़सेट समायोजन के साथ एक तुलनित्र (दहलीज) होता है। न्यूनतम सीमा ~ 5.5 केवी थी। काउंटर की गहराई 15-बिट थी। प्रति पिक्सेल अधिकतम गणना दर 2 मेगाहर्ट्ज प्रति पिक्सेल थी।

मेडिपिक्स-2 मेडिपिक्स-1 का उत्तराधिकारी है। पिक्सेल पिच को घटाकर 55 µm कर दिया गया था और पिक्सेल सरणी 256x256 पिक्सेल की है। प्रत्येक पिक्सेल में दो भेदभाव स्तर (ऊपरी और निचली सीमा) होते हैं, प्रत्येक को 3-बिट ऑफ़सेट का उपयोग करके पिक्सेल में व्यक्तिगत रूप से समायोजित किया जाता है। अधिकतम गणना दर लगभग 100 kHz प्रति पिक्सेल है (हालांकि मेडिपिक्स-1 की तुलना में 9x छोटे क्षेत्र वाले पिक्सेल में)।

मेडिपिक्स-2 एमएक्सआर बेहतर तापमान स्थिरता, पिक्सेल काउंटर ओवरफ्लो सुरक्षा, बढ़ी हुई विकिरण कठोरता और कई अन्य सुधारों के साथ मेडिपिक्स-2 डिवाइस का उन्नत संस्करण है।

Timepix एक उपकरण है जो संकल्पनात्मक रूप से Medipix-2 से उत्पन्न हुआ है। यह पता लगाए गए संकेतों की गिनती के अलावा पिक्सल में दो और मोड जोड़ता है: टाइम-ओवर-थ्रेशोल्ड (टीओटी) और टाइम-ऑफ-अराइवल (टीओए)। पता लगाई गई पल्स ऊंचाई को टीओटी मोड में पिक्सेल काउंटर में रिकॉर्ड किया जाता है। टीओए मोड प्रत्येक पिक्सेल में ट्रिगर और विकिरण के आगमन के बीच के समय को मापता है।

मेडिपिक्स-3 एक्स-रे इमेजिंग के लिए फोटॉन काउंटिंग उपकरणों की नवीनतम पीढ़ी है। पिक्सेल पिच समान (55 माइक्रोमीटर) और साथ ही पिक्सेल सरणी आकार (256x256) रहता है। चार्ज शेयरिंग के वास्तविक समय सुधार के माध्यम से इसमें बेहतर ऊर्जा संकल्प है। इसमें प्रति पिक्सेल कई काउंटर भी हैं जिनका उपयोग कई अलग-अलग मोड में किया जा सकता है। यह निरंतर रीडआउट और आठ ऊर्जा थ्रेसहोल्ड तक की अनुमति देता है।

Timepix-3 Timepix चिप का उत्तराधिकारी है। सबसे बड़े विशिष्ट परिवर्तनों में से एक डेटा रीडआउट का दृष्टिकोण है। पिछले सभी चिप्स ने फ्रेम-आधारित रीडआउट का उपयोग किया, यानी पूरे पिक्सेल मैट्रिक्स को एक बार में पढ़ा गया। Timepix-3 में इवेंट-आधारित रीडआउट है जहां पिक्सेल में रिकॉर्ड किए गए मान हिट पिक्सेल के निर्देशांक के साथ हिट के तुरंत बाद पढ़े जाते हैं। चिप इसलिए फ्रेम के अनुक्रम के बजाय डेटा की एक सतत धारा उत्पन्न करती है। पिछली टाइमपिक्स चिप की तुलना में अगला बड़ा अंतर आगमन के समय के साथ-साथ हिट आयाम को मापने की क्षमता है। मूल टाइमपिक्स चिप की तुलना में अन्य पैरामीटर जैसे ऊर्जा और समय संकल्प में भी सुधार हुआ था।

Timepix-4, Timepix-3 चिप का उत्तराधिकारी है। इसके सामान्य मजबूत विनिर्देश हैं, उदाहरण के लिए इसका आगमन समय रिज़ॉल्यूशन 195 ps है, जो Timepix-3 की तुलना में 8 गुना तेज है, इसमें 512x448 पिक्सेल का बड़ा पिक्सेलमैट्रिक्स भी है और यह 8 गुना अधिक डेटा दरों को संभाल सकता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स पढ़ें
मेडिपिक्स/टाइमपिक्स उपकरणों द्वारा रिकॉर्ड किए गए डिजिटल डेटा को रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से कंप्यूटर में स्थानांतरित किया जाता है। रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स डिटेक्टर मापदंडों के सेटअप और नियंत्रण के लिए भी जिम्मेदार है। मेडिपिक्स सहयोग के तहत कई रीडआउट सिस्टम विकसित किए गए थे

मूरोस
मुरोस मेडिपिक्स डिटेक्टरों के पहले रीडआउट सिस्टम में से एक था। मुरोस को साँस, एम्स्टर्डम, नीदरलैंड्स में विकसित किया गया था। यह डिटेक्टर की सभी सुविधाओं तक पहुंच को सक्षम करने वाला अपेक्षाकृत कॉम्पैक्ट रीडआउट था। इसने एक चिप के साथ सीसीए 30 फ्रेम/एस की अधिकतम फ्रेम दर की अनुमति दी।

USB इंटरफ़ेस
यह इलेक्ट्रॉनिक्स प्राग, चेक गणराज्य में आईईएपी-चेक तकनीकी विश्वविद्यालय में विकसित किया गया था। यह मुरोस की तुलना में कम फ्रेम दर प्रदान करता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक्स को एक बॉक्स में एकीकृत किया गया था जो सिगरेट के एक पैकेट से बड़ा नहीं था। इसके अलावा, किसी विशेष पीसी हार्डवेयर कार्ड की जरूरत नहीं थी जैसा कि मुरोस के मामले में था। इसलिए, मेडिपिक्स सहयोग और इसके भागीदारों के भीतर यूएसबी इंटरफ़ेस जल्दी से सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला रीडआउट बन जाता है।

आराम
रिलैक्स्ड एक रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स है जिसे निखेफ में विकसित किया गया है। डेटा को 1Gbit/s ईथरनेट कनेक्शन के माध्यम से पीसी में स्थानांतरित किया जाता है। अधिकतम फ़्रेम दर 100 फ़्रेम/सेकंड के स्तर पर है।

फिटपिक्स
Fitpix प्राग में समूह द्वारा विकसित USB इंटरफ़ेस की अगली पीढ़ी है। इलेक्ट्रॉनिक्स समानांतर मेडिपिक्स / टाइमपिक्स रीडआउट को लागू करता है और इसलिए अधिकतम फ्रेम दर 850 फ्रेम / एस तक पहुंच जाती है। यह 100 फ्रेम/एस के फ्रेम दर के साथ सीरियल रीडआउट का भी समर्थन करता है।

मिनीपिक्स
मिनीपिक्स प्राग में ADVACAM s.r.o. द्वारा विकसित एक छोटा एकीकृत चिप+रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक उपकरण है। पूरे सिस्टम में उ स बी फ्लैश ड्राइव का आकार होता है। इनमें से कई उपकरणों का उपयोग अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर विकिरण निगरानी प्रणाली के रूप में किया गया था।

Spidr3
Spidr3 TimePix3 और MediPix3 चिप के लिए शक्तिशाली रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स है। MediPix3 के लिए रीडआउट दर लगभग 12500 फ़्रेम प्रति सेकंड और TimePix3 के लिए 120 मिलियन हिट्स प्रति सेकंड है। डेटा एक शक्तिशाली 10 जीबी ऑप्टिकल फाइबर कनेक्शन द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। चिप और रीडआउट सिस्टम को निखेफ और एम्स्टर्डम साइंटिफिक इंस्ट्रूमेंट्स के साथ मिलकर विकसित किया गया है।

एक्सकैलिबर और मर्लिन सिस्टम
मेडिपिक्स 3 रीडआउट और सिंक्रोट्रॉन में अनुप्रयोगों के लिए दोनों प्रणालियों को हीरा प्रकाश स्रोत, यूके में विकसित किया गया है। मर्लिन क्वांटम डिटेक्टरों से सीडीटीई सेंसर के साथ उपलब्ध है जो डायमंड लाइट सोर्स के साथ आगे के विकास पर सहयोग कर रहे हैं।

लैम्ब्डा सिस्टम
लैम्ब्डा DESY में विकसित एक उच्च गति (2,000 एफपीएस) बड़ा क्षेत्र (12 चिप्स) रीडआउट सिस्टम है। लैम्ब्डा उच्च-जेड सेंसर विकल्पों के साथ उपलब्ध है, जैसे कि GaAs (गैलियम-आर्सेनाइड) और सीडीटीई (कैडमियम-टेल्यूराइड)।

मंगल
MARS एक गीगाबिट ईथरनेट रीडआउट है जिसमें 6 मेडिपिक्स 2 या मेडिपिक्स 3 डिटेक्टर शामिल हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स को ओटागो विश्वविद्यालय, क्राइस्टचर्चन्यूज़ीलैंड में विकसित किया गया था।

एक्स-रे इमेजिंग
एक्स-रे इमेजिंग मेडिपिक्स डिटेक्टरों का प्राथमिक अनुप्रयोग क्षेत्र है। मेडिपिक्स एक्स-रे इमेजिंग क्षेत्र को विशेष रूप से उच्च गतिशील रेंज और ऊर्जा संवेदनशीलता में लाभ प्रदान करता है। चयनित एक्स-रे इमेजिंग एप्लिकेशन फ़ील्ड से एक्स-रे छवियों के उदाहरण हैं:

अंतरिक्ष विकिरण डोसिमेट्री
मेडिपिक्स2 सहयोग से टाइमपिक्स-आधारित डिटेक्टरों को 2013 से अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर उड़ाया गया है, और नासा के नए ओरियन (अंतरिक्ष यान) के पहले उड़ान परीक्षण (ईएफटी-1) पर। दिसंबर 2014 में ओरियन मल्टी-पर्पज क्रू वाहन। वर्तमान योजनाएं इसी तरह के उपकरणों को प्रवाहित करने के लिए कॉल करें क्योंकि प्राथमिक विकिरण क्षेत्र भविष्य के प्रारंभिक चालित ओरियन मिशनों पर नज़र रखता है।

अन्य
डिटेक्टरों को खगोल विज्ञान, उच्च ऊर्जा भौतिकी, चिकित्सा इमेजिंग और एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी में भी आवेदन मिल सकते हैं।

इतिहास

 * मेडिपिक्स-1: 90 के दशक की शुरुआत।
 * मेडिपिक्स -2: 90 के दशक के अंत में।
 * मेडिपिक्स-3: सहयोग 2006 में बना।
 * मेडिपिक्स-4: सहयोग 2016 में बना।

यह भी देखें

 * मार्स बायोइमेजिंग

बाहरी संबंध

 * Medipix collaboration home page
 * Medipix3 collaborators
 * Medipix3 page on CERN’s Knowledge and Technology Transfer website