PRIN 2022 招标公告。2022年2月2日第104号决定

项目标题：采用3D硅像素室的开创性强子治疗康普顿相机

CUP代码 D53D23002810006

预算： € 86,500

P.I. 或 U.R. 负责人  Giuseppe Eugenio Bruno教授

其他研究单位 卡利亚里大学，INFN

项目简要说明

该项目提出开发新一代高性能康普顿相机，创新性地采用硅像素室作为散射探测器。其目标是突破传统康普顿相机的局限：传统康普顿相机需要大量光子才能重建伽马源的方向，因此无法真正实现在线应用，尤其是在强子治疗等关键应用中。

像素室被设计为一种三维连续跟踪探测器，通过叠加大量超薄、高颗粒度的单片式传感器构成。该配置能够以微米级精度重建康普顿相互作用产生的反冲电子轨迹。对康普顿电子进行轨迹跟踪所获得的信息，可以显著缩小入射光子方向的不确定体积，将重建范围从整个锥面缩小为一个小型锥体区段，从而有望使成像效率提高几个数量级。

目的

该项目证明了按照原始提案的设想，能够组装并运行A9——像素室的基本单元；A9由9个超薄硅ALTAI或ALPIDE芯片组成的堆栈构成。为实现多个A9单元的机械和电气集成，从而获得足够的有效体积，以达到像素室散射器中康普顿相互作用的高效率，相关研究显示，在采用尺寸约为~ 1 cm2的芯片时，制造工艺存在一定难点（约~ 1 cm2是生产ALPIDE或ALTAI等单片式芯片的晶圆厂所采用光刻技术的典型“视场”尺寸）。得益于全新的“拼接”技术，芯片尺寸可以大幅增加，直至受到硅晶圆本身尺寸的限制（例如，在采用68nm TPSCo CMOS技术、晶圆直径为300mm时，可以较为容易地获得尺寸为10x10 cm^2的芯片

甚至可达 15x15 cm^2），并将所有用于读出和供电的电气互连置于芯片外围，这将解决制造方面的关键难题。采用该方案后，唯一仍然关键的问题是所产生热量的散热：因此，降低单位面积功耗至关重要，尤其是在需要堆叠约十个大尺寸芯片时。因此，除聚焦于 ALTAI 芯片外，芯片表征工作还扩展至新型测试结构的开发与表征，以及采用 68nm CMOS 工艺的大尺寸芯片首批原型的研制。所得结果证明，可将功耗降低至 35 mW / cm。 

预期成果

通过 COMSOL 仿真，对由 4x3 Pixel Chamber 矩阵构成并配备交指式散热器的散射器进行了深入的热分析。研究表明，仅需采用强制空气通风，增加外部散热器还可进一步改善散热性能，尤其是在通风速度 ≥ 2 m/s 时，从而能够将散射器维持在 40-45 °C 的工作范围内。 

已取得的成果 

在项目框架内，利用 GEANT4 对 Pixel Chamber 实施了完整仿真，其中包括传感器堆叠的详细几何结构及其相互对准关系和芯片间间隙。仿真采用了 1 MeV 光子源，该能量代表了强子治疗应用所关注的能区。通过要求在有效体积内仅发生一次康普顿相互作用，并且至少探测到 10 个反冲电子径迹点，筛选出可用于重建的事件。电子方向通过对康普顿相互作用点及径迹随后最初的 3 个 hit 进行线性拟合来重建；这一选择是出于限制多重散射影响的需要，因为该影响在径迹远端区域更为显著。所得结果显示，角度偏差的平均值为

15.7°，RMS 为 14.1°；其分布表明，存在较好的低角度重建事件成分。所识别出的主要限制因素包括反冲电子的多重库仑散射、像素的颗粒度以及可用于拟合的径迹长度有限。这些结果构成了所提出几何结构的首个定量基准，并为面向未来发展的 Pixel Chamber 设计优化提供了具体指导。