Сибирские сенсоры для уникального микроскопа
Шесть сенсоров на основе арсенида галлия, изготовленных в Томском государственном университете (ТГУ), отправлены в немецкий национальный синхротронный центр DESY в Гамбурге. Датчики проверят на чувствительность к рентгеновскому излучению и на однородность характеристик по всей площади и в дальнейшем используют в прототипе уникального исследовательского прибора — комптоновского рентгеновского микроскопа для исследования биологических объектов.
Как сообщили «Стимулу» в пресс-службе ТГУ, одно из главных достоинств сенсоров — их высокая устойчивость к повреждающим факторам, в том числе к радиации. Устойчивость детекторов крайне важна, поскольку их быстрый выход из строя — большая проблема.
В 2018 году совместный проект ученых ТГУ и DESY был поддержан конкурсом Объединения научно-исследовательских центров Германии им. Гельмгольца и Российским научным фондом. В течение трех лет они разработают первый в мире прототип комптоновского рентгеновского микроскопа, который будет полезен при изучении клеточных структур, тканей и длинных белковых молекул. Современная приборная база подобных исследований — электронные микроскопы, они используют пучок высокоэнергетичных электронов, что может привести к быстрому разрушению объекта исследования из-за бомбардировки электронами. В комптоновском рентгеновском микроскопе воздействие более слабое, разрушение будет проходить медленнее, и время изучения объекта увеличится.
«Это новый инструментарий для исследований в области биологии и медицины, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории функциональной электроники ТГУ Антон Тяжев. — Ученые смогут изучать процессы на клеточном уровне, проводить достаточно длительные наблюдения без разрушения объекта. Возможно, микроскоп позволит приблизиться к пониманию развития каких-то заболеваний. Кроме того, можно будет наблюдать, какие изменения происходят в клетках при воздействии лекарственных препаратов».
Микроскоп будет фиксировать не проходящее излучение, а рассеянное. В первом случае лучи проходят насквозь и можно получить информацию о внутреннем состоянии объекта, например во время флюорографии. Если объект очень тонкий, как стенка клетки или длинные белковые молекулы, то лучи проходят насквозь не задерживаясь и полученная информация оказывается недостаточно точной. Для повышения точности ученые ТГУ и DESY решили, что собирать данные можно с помощью рассеянного излучения.
В задачу ученых DESY входит разработка системы сбора данных, рентгеновских линз и программного обеспечения для микроскопа. Испытания микроскопа пройдут в DESY с использованием синхротронного рентгеновского излучения.
В свою очередь, радиофизики ТГУ разрабатывают матричные сенсоры на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr), использующиеся для регистрации рентгеновского излучения.
«Лаборатория функциональной электроники ТГУ единственная в мире производит многоэлементные арсенид-галлиевые сенсоры для регистрации ионизирующего излучения. Арсенид галлия — оптимальный полупроводник в качестве материала для сенсора, — рассказал “Стимулу” Антон Тяжев. — Еще двадцать лет назад было два подхода к работе с сенсорами: стандартный, который использовался за рубежом, и наш вариант — арсенид галлия, компенсированный хромом. Материал, созданный учеными ТГУ, превосходит зарубежные, его характеристики значительно лучше характеристик существующих сенсоров. Сенсоры ТГУ могут использоваться в экспериментальной физике высоких энергий, в системах формирования цифрового цветового изображения в рентгеновских и гамма-лучах научного, промышленного и медицинского назначения, например в томографах».
Сенсоры — один из ключевых элементов микроскопа, определяющий чувствительность и пространственное разрешение прибора. В рамках проекта российская группа должна изготовить и передать немецким коллегам около десяти сенсоров с большой активной площадью (84,48 × 28,16 мм2) размером 1536 × 512 пикселей и порядка 15 тестовых матричных сенсоров (14,08 × 14,08 мм2) размером 256 × 256 пикселей. Шаг пикселей всех сенсоров составляет 55 мкм. В этом году уже переданы на испытания в DESY три больших и три тестовых матричных сенсора.
«Сенсоры будут облучать рентгеновским излучением диапазона 15–40 кэВ. В DESY изучат, как наши сенсоры реагируют, посмотрят их чувствительность к рентгену, уровень шума и однородность характеристик по всей площади. Исходя из результатов тестирования мы продолжим работать над оптимизацией сенсоров», — пояснил Антон Тяжев.
Результаты испытаний будут известны в ноябре. Далее коллеги из DESY сообщат о желаемых улучшениях, например об изменении толщины или повышении однородности. Затем ученые ТГУ изготовят следующую партию сенсоров с улучшенными свойствами.