2019. szeptember: jegyzet, fizika, biofizika, biológia, lézer, tudomány, kémia, egészségipar, portré, bioinformatika, egyetem, ipar 4.0, innováció, öntészet, fenntarthatóság, energiagazdálkodás, disszemináció, zöldkörnyezet, építés, környezetvédelem, ipari automatizálás, it, mesterséges intelligencia
2019. szeptember 4.

Szerző:
S. I. K.

SiPM-teszteléssel a pontosabb mérésért

A SiPM (szilíciumalapú fotonszámláló) egy félvezető technológiával gyártott érzékelő, amely nagy sebességgel, akár másodpercenként milliárdszor is képes a felületére érkező fotonok számával arányos jelet adni. Ezt fogják használni a CERN CMS (Compact Muon Solenoid)  detektorának precíziós időmérő eszközében.


A fizikai célok eléréséhez elen­gedhetetlen a szenzorok alapos tesztelése, és a CERN projektjében való részvétel számos kutatócsoport álma, egy igazi minőségi jelző az ipar számára is. Ujvári Balázs vezetésével a Debreceni Egyetem CMS csoportja ezért jelenleg százezernyi SiPM tesztelését vállalta egy másik projekt keretében, amely fontos mérföldkő lehet számukra, hiszen esélyt adhat arra, hogy bekerüljenek a CERN-projektbe. Erről és a SiPM-tesztelés precíziós orvosi képalkotásban várható jelentőségéről beszélt Ujvári Balázs, a Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológia Kar Fizikai Intézetének adjunktusa.

Ez egy SiPM 4 × 4 mm, a szürke fe­lü­­letén 40 ezer pixel képes a fotont elektronikus impulzussá alakítani.
Miért különleges az Ön által vezetett kutatás, amelynek során SiPM félvezető technológiával gyártott érzékelőt tesztelnek?

– A fotonok számlálásának évtizedes múltja van, az ipar több jól működő szenzort is képes volt tömegtermelésben előállítani, ezzel segítve a költséghatékony detektorok elterjedését a fizikában, de annál inkább az orvosi képalkotásban (például PET). A felhasználási feltételek azonban sokat változtak, ma szükség van egy erős mágneses térben is működni képes, igen gyors és vékony érzékelőre, amely képes nagy dinamikai tartományban lineárisan mérni. Ezeket az igényeket ma csak SiPM-szenzorokkal lehet lefedni, ám ezek – a gyártás­technológiájuk miatt – érzékenyek elsősorban a hőmérsékletre, de például a felületüket ért radioaktív sugárzás intenzitására, fajtájára, energiájára is.

Részecskefizikai detektor elemi egy­sége, ebből több tízezret építenek be.

A SiPM-eket eddig a gyári, részleges, inkább csak minőségbiztosítás miatti mérések alapján válogatták, csoportosították és építették be, a precíz mérésekhez azonban némely esetekben ez kevés. Ilyenkor szükség lehet egy alapos tesztelésre, ennek a kiértékelésére, majd a válogatásra, hogy olyan detektorok készüljenek, amelyek ezáltal pontosabbak lesznek. A mi fejlesztésünk abban egyedi, hogy a gyárból kapott SiPM-eket a felszerelésük előtt képesek vagyunk nagy tételben, gyakorlatilag az összes fontos paraméterére tesztelni, és ezeknek a teszteknek a kiértékelése alapján szerelik fel a SiPM-eket.

Az előbbi ábrán látható detektorelem tetejére teszik a SiPM NYÁK-ját, itt 16 SiPM jelent egy kiolvasási egysé­get, ezeket kell jól összeválogatni, hogy gya­korlatilag ugyanolyanok legyenek. Összesen 100 ezer SiPM-et kell tesz­telni, válogatni.
Egyik célkitűzésük, hogy sikerüljön egy CERN-projektbe is bekerülniük. Mit jelenthet ez pontosan az önök számára?

– A CERN a részecskefizika „Vatikánja”. Hihetetlen verseny folyik azért, hogy ki kerüljön be. Eddig is sok sikeres kisebb projektet fejeztünk be Debrecenből, ez most egy jó lehetőség, hogy a következő néhány évben is „látszódjunk”, hiszen amelyik csoport kalibrált, az szinte biztosan ott lesz a CMS-detektor működése során végzett utólagos beállításoknál is.

A nyugati országokban az utóbbi években jelentős összegeket költöttek a képalkotó diagnosztikára, ennek köszönhetően fejlődtek az orvosi képalkotó módszerek és ezzel együtt javult a gyógyítás folyamata is. Az Ön által vezetett kutatás a gyakorlatban milyen területen javíthatja a képalkotást?

– Egy PET pontossága több dologtól függ. Lehet újabb és újabb fajta kristályokkal kísérletezni, a mérő és kiértékelő elektronikát fejleszteni, az utólagos adatfeldolgozás algoritmusait jobbá tenni, és lehet azt is, amit mi csinálunk, hogy kalibráljuk a SiPM-eket, és ezáltal lesz pontosabb a mérés. Azt gondolom, hogy a SiPM-ek tesztelése és időben pontosabb kiolvasása az egyik út ahhoz, hogy javuljon a térbeli felbontás. Ha minden SiPM-et ki lehetne olvasni egy PET-nél, akkor a mérések alapján még tovább lehetne finomítani a kalibrációkat.

Ez a tesztelő – a gyári fekete tárolókban (balra lent) 156 SiPM található, 8 óra alatt leteszteli és visszarakja a helyükre. A válogatás egy másik csoport feladata.
A tudományos projekt sikeres megvalósításának egyik fontos kritériuma a megfelelő szakmai és anyagi háttér biztosítása. Mit jelentett ebből a szempontból a National Instruments (NI) bekapcsolódása?

– A legnagyobb előnyünk abból származott, hogy az NI már az első beszélgetésünkkor megértette a feladat lényegét, tétjét, és ellátott a megfelelő hardverrel és mérnöki támogatással. Kialakítottak nekünk egy mérőhelyet a Nyitott Laborban, és rendelkezésünkre bocsátották a legmodernebb eszközeiket. Ezek használatában két mérnök is folyamatosan segített, a mérés komplexitása miatt olyan megoldást (TestStand) választottak, amely még nem része az oktatási anyagunknak. Vizsgaidőszakban, január­ban kezdtük a fejlesztést, de az annyira elágazó lett, hogy gyakorlatilag hónapokra beköltöztünk az NI-hoz, és március végére lettünk kész annyira, hogy kiszállíthattuk a tesztelőt arra az amerikai egyetemre, amely a diákjaival vállalta az egy évig tartó tesztelést. Mi is kimentünk azóta több alkalommal, és rendszeresen konzultálunk az NI-os mérnökökkel, ha valamit a tervezettez képest meg kell változtatni. A legnagyobb segítség természetesen az volt, hogy a több hónapnyi fejlesztés közben állandóan változó konfigurációkon keresztül eljutottunk egy optimális elektronikához, és ezt a végén adományként megkaptuk. Ez évekig biztosítja, hogy a legmodernebb elektronikával tudjunk további SiPM-tesztekben megjelenni.

SPS – single photon spectrum módszer, ez napjainkban a legpontosabb mérés.
Az NI Hungary Kft.-t gyakran tudásközpontként emlegetik. Mennyire ismeri önöket ebből a szempontból a magyar tudóstársadalom, hogyan tudnak például segíteni a Debrecenben működő Nyitott Laboratóriumukon keresztül? – kér­­deztük Ábrahám Lászlót, az NI Hungary Kft. ügyvezetőjét.

– Azt gondolom, hogy valóban hatalmas tapasztalat és értékes tudás halmozódott fel a vállalatunknál, így a Nyitott Labo­ratóriumunkban is. Minimális éves díjért cserébe nyújtjuk a teljes szoftverállományunkat, a hat-hétezer eszközből álló saját technológiánkat. Meggyőződésem, hogy a jövő nagy mérnöki kihívásainak megoldása közös feladatunk, melyhez az NI hatékony és rugalmas eszközöket, élvonalbeli hardver- és szoftverplatformot tud biztosítani.•

 
Innotéka