إعلان PRIN 2022D. D. N. 104 بتاريخ 2 فبراير 2022

عنوان المشروع: كاميرا كومبتون رائدة للعلاج بالهادرونات باستخدام حجرة بكسلات ثلاثية الأبعاد من السيليكون

رمز CUP D53D23002810006

الميزانية: € 86,500

الباحث الرئيسي أو مسؤول وحدة البحث  الأستاذ جوزيبي أوجينيو برونو

وحدات بحثية أخرى جامعة كالياري، المعهد الوطني للفيزياء النووية (INFN)

وصف موجز للمشروع

اقترح المشروع تطوير جيل جديد من كاميرات كومبتون عالية الأداء، استنادًا إلى الاستخدام المبتكر لحجرة بكسلات من السيليكون بوصفها كاشفًا للتشتت. والهدف هو تجاوز قيود كاميرات كومبتون التقليدية، التي تتطلب عددًا كبيرًا من الفوتونات لإعادة بناء اتجاه مصدر أشعة غاما، ما يحول دون استخدامها فعليًا عبر الإنترنت في تطبيقات بالغة الأهمية، مثل العلاج بالهادرونات.

صُممت حجرة البكسلات لتكون كاشفًا ذا تتبّع ثلاثي الأبعاد مستمر، يتكوّن من تراكب عدد كبير من المستشعرات الأحادية فائقة الرقة وذات الدقة المكانية العالية للغاية. ويتيح هذا التكوين إعادة بناء مسار إلكترون الارتداد الناتج عن تفاعل كومبتون بدقة ميكرومترية. وتتيح معلومات تتبّع إلكترون كومبتون تضييق نطاق عدم اليقين بشأن اتجاه الفوتون الساقط بدرجة كبيرة، فتحوّل إعادة البناء من سطح مخروطي كامل إلى مقطع مخروطي صغير، مع إمكانية زيادة كفاءة التصوير بعدة مراتب من حيث الحجم.

الغرض

أثبت المشروع إمكانية تجميع وتشغيل A9، وهي الوحدة الأساسية لحجرة البكسلات، والمكوّنة من رزمة تضم 9 شرائح سيليكون فائقة الرقة من نوع ALTAI أو ALPIDE، على النحو المتوخى في المقترح الأصلي. وقد كشفت الدراسات المتعلقة بالتكامل الميكانيكي والكهربائي لخلايا A9 متعددة، بهدف إنشاء أحجام فعالة تتيح بلوغ كفاءة عالية لتفاعل كومبتون في كاشف التشتت بحجرة البكسلات، عن تحديات في التنفيذ عند استخدام شرائح يبلغ حجمها نحو ~ 1 cm2 (وهي الأبعاد النموذجية لـ«مجال الرؤية» في تقنيات الطباعة الحجرية التي تستخدمها المسابك المنتجة للشرائح الأحادية، مثل ALPIDE أو ALTAI). ويتيح أسلوب «الخياطة» (stitching) الجديد إنتاج شرائح أكبر بكثير، حتى الحدود التي تفرضها أبعاد رقاقة السيليكون نفسها (فعلى سبيل المثال، باستخدام قطر 300mm في تقنية TPSCo CMOS ذات 68nm، يمكن بسهولة إنتاج شرائح بأبعاد 10x10 cm^2

وحتى أبعاد تصل إلى 15x15 cm^2)، مع جميع التوصيلات الكهربائية اللازمة للقراءة والتغذية عند محيط الشريحة نفسها، من شأنه أن يحلّ تحديات التصنيع. ومع اعتماد هذا الحل، تظلّ تبديدات الحرارة الناتجة الجانب الحرج الوحيد؛ لذا تكتسب القدرة على خفض استهلاك الطاقة لكل وحدة مساحة أهمية بالغة، ولا سيما عند الرغبة في إنشاء رزمة تضم نحو عشر شرائح كبيرة الحجم. لذلك، لم تقتصر حملة توصيف الشرائح على شرائح ALTAI، بل امتدت لتشمل تطوير هياكل الاختبار الجديدة وتوصيفها، إلى جانب النماذج الأولية الأولى لشرائح كبيرة الحجم بتقنية CMOS ذات 68nm. وقد أثبتت النتائج المتحصّل عليها إمكانية خفض استهلاك الطاقة إلى 35 mW / cm. 

النتائج المتوقعة

أُجري تحليل حراري معمّق للمبعثر، المكوّن من مصفوفة 4x3 من غرف Pixel المزوّدة بمشعّات متداخلة الأصابع، باستخدام عمليات المحاكاة في COMSOL. وأظهرت الدراسة أن التهوية القسرية بالهواء كافية، وأن إضافة مشعّات خارجية تسهم في تحسين تبديد الحرارة بدرجة أكبر، ولا سيما عند سرعات تهوية ≥ 2 m/s، بما يتيح إبقاء المبعثر ضمن نطاق التشغيل البالغ 40-45 °C. 

النتائج المحققة 

في إطار المشروع، نُفّذت محاكاة كاملة لغرفة Pixel باستخدام GEANT4، شملت الهندسة التفصيلية لرزم المستشعرات مع محاذاتها والفجوات بين الشرائح. واستخدمت المحاكاة مصدرًا للفوتونات بطاقة 1 MeV، وهي طاقة تمثّل النطاق ذي الصلة بتطبيقات العلاج بالهادرونات. واختيرت الأحداث المفيدة لإعادة البناء باشتراط حدوث تفاعل كومبتون واحد داخل الحجم النشط، ورصد 10 نقاط تتبّع على الأقل لإلكترون الارتداد. وأُعيد بناء اتجاه الإلكترون باستخدام ملاءمة خطية لنقطة تفاعل كومبتون وأول 3 إصابات لاحقة على المسار، وهو خيار يستند إلى ضرورة الحد من تأثير التشتت المتعدد، الذي يكون أشدّ وضوحًا في المناطق البعيدة. وتُظهر النتائج المتحصّل عليها قيمة متوسطة لـ

الانحراف الزاوي تبلغ 15.7° وقيمة RMS تبلغ 14.1°، مع توزيع يتوافق مع وجود نسبة جيدة من الأحداث المعاد بناؤها بدقة عند زوايا صغيرة. وتتمثل العوامل الرئيسية المحدِّدة للأداء التي جرى تحديدها في تشتت كولوم المتعدد لإلكترون الارتداد، وحجم بكسلات الكشف، وقِصر طول المسار المتاح للملاءمة. وتشكل هذه النتائج معيارًا كميًا أوليًا للهندسة المقترحة، كما توفر مؤشرات عملية لتحسين تصميم غرفة Pixel تمهيدًا للتطويرات المستقبلية.