RU2786152C2

RU2786152C2 - Radiation detector module at quantum points with autonomous power supply

Info

Publication number: RU2786152C2
Application number: RU2020135490A
Authority: RU
Inventors: Марк Энтони ЧАППО; Стефани Ли БРОК; Ина Тейлор МАРТИН
Original assignee: Конинклейке Филипс Н.В.; Кейс Вестерн Ресёрв Юнивёрсити; Уэйн Стэйт Юнивёрсити
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-12-19

Abstract

FIELD: detection equipment.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of radiation detection. A radiation detector contains a photoelectric layer with the first and the second opposite sides. The photoelectric layer is made with the possibility of absorption of the first radiation on the first side and generation of an electric charge. The detector also contains a layer of porous silicon with quantum points, located on the second side of the photoelectric layer and made with the possibility of reception of the second radiation and conversion of the received second radiation into an electrical signal indicating a level of energy of the received second radiation. A collection and transmission layer is located next to the layer of porous silicon with quantum points and is made with the possibility of reception of an electrical signal and transmission of the electrical signal to a device remote from the radiation detector. An energy accumulation layer is located next to the collection and transmission layer and is made with the possibility of accumulation of an electric charge and supply of the accumulated electric charge as working power to the collection and transmission layer.

EFFECT: increase in the performance of a radiation detector.

20 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Настоящее изобретение, в общем, относится к модулю многослойного детектора излучения и, в частности, к детектору излучения из пористого кремния (ПК) на квантовых точках (КТ) (ПК КТ детектор излучения) с автономным электропитанием, выполненному с возможностью использования в удаленных беспилотных наземных и небесных объектах.The present invention generally relates to a multilayer radiation detector module, and in particular to a porous silicon (PC) quantum dot (QD) radiation detector (PC QD radiation detector) with self-contained power supply, capable of being used in remote unmanned ground and celestial objects.

Уровень техникиState of the art

Современные детекторы излучения в основном состоят из кристаллических или гранатовых сцинтилляторов, устанавливаемых непосредственно на твердотельные фотодетекторы, такие как фотодиоды. Материал сцинтиллятора производит световые фотоны в ответ на бомбардировку рентгеновскими фотонами, которые затем преобразуются в электрические токи или импульсы в фотодетекторе. Для детекторов излучения также используют материалы прямого преобразования энергии со спектральным выделением из теллурида цинка-кадмия (CZT) или теллурида кадмия (CdTe). В последнее время исследования в области наночастиц привели к появлению многообещающей новой технологии в детекторах излучения, а именно квантовых точек (КТ), внедренных в пористый кремний (ПК) для одновременного повышения производительности и снижения стоимости.Modern radiation detectors mainly consist of crystal or garnet scintillators mounted directly on solid state photodetectors such as photodiodes. The scintillator material produces light photons in response to X-ray photon bombardment, which are then converted into electrical currents or pulses in the photodetector. For radiation detectors, direct energy conversion materials with spectral emission from zinc cadmium telluride (CZT) or cadmium telluride (CdTe) are also used. Recently, nanoparticle research has led to a promising new technology in radiation detectors, namely quantum dots (QDs) embedded in porous silicon (PC) to both increase performance and reduce cost.

Удаленные беспилотные наземные и космические детекторы излучения с малым энергопотреблением могут быть выполнены с батареей или аналогичным устройством для питания. Однако батарея имеет время работы (т.е. промежуток времени, в течение которого первоначальный заряд падает до уровня, недостаточного для обеспечения рабочего заряда детекторов излучения), по истечении которого батарее необходима перезарядка (в случае перезаряжаемой батареи, которая еще способна быть заряжена до достаточного уровня) и/или замена (в случае неперезаряжаемой батареи или батареи, которая больше не может быть заряжена до достаточного уровня). Кроме того, данные узлы имеют большую массу и габариты. К сожалению, перезарядка и/или замена таких батарей в удаленных беспилотных наземных и космических установках и/или батарей большой массы и габаритов невозможна.Remote unmanned ground and space radiation detectors with low power consumption can be made with a battery or similar device for power. However, the battery has an operating time (i.e., the period of time during which the initial charge drops to a level insufficient to ensure the operating charge of the radiation detectors), after which the battery needs to be recharged (in the case of a rechargeable battery that is still capable of being charged to a sufficient level) and/or replacement (in the case of a non-rechargeable battery or a battery that can no longer be charged to a sufficient level). In addition, these nodes have a large mass and dimensions. Unfortunately, recharging and/or replacement of such batteries in remote unmanned ground and space installations and/or batteries of large mass and dimensions is impossible.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Аспекты, раскрытые в настоящем документе устраняют вышеуказанные и другие проблемы.The aspects disclosed herein address the above and other problems.

В одном аспекте детектор излучения включает в себя фотоэлектрический слой с первой и второй противоположными сторонами. Фотоэлектрический слой выполнен с возможностью поглощения первого излучения на первой стороне и генерирования электрического заряда. Детектор также включает в себя слой пористого кремния с квантовыми точками, расположенный на второй стороне фотоэлектрического слоя и выполненный с возможностью приема второго излучения, а затем преобразования принятого второго излучения в электрический сигнал, указывающий уровень энергии принятого второго излучения. Детектор также включает в себя слой сбора и передачи, расположенный рядом со слоем пористого кремния с квантовыми точками, и выполненный с возможностью приема электрического сигнала и передачи электрического сигнала на устройство, удаленное от детектора излучения. Детектор также включает в себя слой накопления энергии, расположенный рядом со слоем сбора и передачи и выполненный с возможностью накопления электрического заряда и подведения накопленного электрического заряда в качестве рабочей мощности к слою сбора и передачи.In one aspect, the radiation detector includes a photovoltaic layer with first and second opposing sides. The photovoltaic layer is configured to absorb the first radiation on the first side and generate an electric charge. The detector also includes a layer of porous quantum dot silicon located on the second side of the photovoltaic layer and configured to receive the second radiation and then convert the received second radiation into an electrical signal indicative of the energy level of the received second radiation. The detector also includes an acquisition and transmission layer adjacent to the porous quantum dot silicon layer and configured to receive an electrical signal and transmit the electrical signal to a device remote from the radiation detector. The detector also includes an energy storage layer adjacent to the collection and transmission layer and configured to store an electric charge and supply the accumulated electric charge as operating power to the collection and transmission layer.

В другом аспекте система детектирования и обработки излучения включает в себя беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения и устройство обработки. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения включает в себя фотоэлектрический слой с квантовыми точками, выполненный с возможностью поглощения первого излучения и генерирования электрического заряда. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой накопления энергии, выполненный с возможностью накопления электрического заряда. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой пористого кремния с квантовыми точками, выполненный с возможностью приема второго излучения и генерирования электрического сигнала, указывающего на принятое второе излучение. Беспилотный наземный или небесный модуль детектирования излучения также включает в себя слой сбора и передачи, питаемый накопленным зарядом и выполненный с возможностью измерения электрического сигнала и передачи результатов измерения от модуля детектирования. Устройство обработки выполнено с возможностью приема и обработки результатов измерения, при этом устройство обработки удалено от беспилотного наземного или небесного модуля детектирования излучения.In another aspect, the radiation detection and processing system includes an unmanned terrestrial or celestial radiation detection module and a processing device. The unmanned terrestrial or celestial radiation detection module includes a quantum dot photovoltaic layer configured to absorb the first radiation and generate an electric charge. The unmanned ground or sky radiation detection module also includes an energy storage layer configured to store an electric charge. The unmanned terrestrial or celestial radiation detection module also includes a layer of porous quantum dot silicon configured to receive the second radiation and generate an electrical signal indicative of the received second radiation. The unmanned terrestrial or celestial radiation detection module also includes a collection and transmission layer powered by the accumulated charge and configured to measure an electrical signal and transmit measurement results from the detection module. The processing device is configured to receive and process the measurement results, while the processing device is remote from the unmanned terrestrial or celestial radiation detection module.

В другом аспекте способ включает в себя прием, с помощью фотоэлектрического слоя детектора излучения, первого излучения. Способ также включает в себя преобразование, с помощью фотоэлектрического слоя, принятого первого излучения в электрический заряд. Способ также включает в себя накопление электрического заряда в слое накопления энергии детектора излучения. Способ также включает в себя питание слоя сбора и передачи детектора излучения накопленным электрическим зарядом. Способ также включает в себя измерение, с помощью питаемого слоя сбора и передачи детектора излучения, электрического сигнала, генерируемого слоем пористого кремния с квантовыми точками в ответ на поглощение слоем пористого кремния с квантовыми точками второго излучения, и генерирование электрического сигнала, который указывает поглощенное второе излучение. Способ также включает в себя передачу, с помощью слоя сбора и передачи, данных, указывающих измеренный сигнал, от детектора излучения. В одном случае данные (которые могут быть необработанными и/или обработанными результатами измерения) обрабатывают устройством, удаленным от детектора. Следует отметить, что фотоэлектрический слой также может быть добавлен к нескольким сторонам куба или к трехмерному (3-D) модулю для увеличения поглощения энергии.In another aspect, the method includes receiving, with the help of the photoelectric layer of the radiation detector, the first radiation. The method also includes converting, with the aid of the photovoltaic layer, the received first radiation into an electrical charge. The method also includes storing an electrical charge in the energy storage layer of the radiation detector. The method also includes powering the collection and transmission layer of the radiation detector with an accumulated electric charge. The method also includes measuring, by means of a powered acquisition and transmission layer of the radiation detector, an electrical signal generated by the porous quantum dot silicon layer in response to absorption by the porous quantum dot silicon layer of a second radiation, and generating an electrical signal that is indicative of the absorbed second radiation. . The method also includes transmitting, by means of the acquisition and transmission layer, data indicative of the measured signal from the radiation detector. In one case, the data (which may be raw and/or processed measurements) is processed by a device remote from the detector. It should be noted that a photovoltaic layer can also be added to multiple sides of a cube or to a three-dimensional (3-D) module to increase energy absorption.

Дополнительные аспекты настоящего изобретения будут оценены специалистами в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.Additional aspects of the present invention will be appreciated by those skilled in the art upon reading and understanding the following detailed description.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Настоящее изобретение может иметь форму различных компонентов и комбинаций компонентов, а также различных этапов и комбинаций этапов. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не предназначены для ограничения изобретения.The present invention may take the form of various components and combinations of components, as well as various steps and combinations of steps. The drawings are for the purpose of illustrating the preferred embodiments only and are not intended to limit the invention.

На фиг. 1 схематично показан разнесенный вид в аксонометрии примерных слоев на примере ПК КТ детектора излучения с автономным электропитанием для питания компонентов ПК КТ детектора излучения.In FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of exemplary layers using an example of a self-powered radiation detector PC CT to power components of the radiation detector PC CT.

На фиг. 2 схематично показан вид спереди примерных слоев на примере ПК КТ детектора излучения, показанного на фиг. 1.In FIG. 2 is a schematic front view of exemplary layers of the PC CT radiation detector shown in FIG. one.

На фиг. 3 схематично показан неограничивающий пример ПК КТ детектора излучения.In FIG. 3 schematically shows a non-limiting example of a PC CT radiation detector.

На фиг. 4 схематично показан пример взаимодействия между квантовыми точками и кремнием в ПК КТ детекторе излучения, показанном на фиг.3, для преобразования принятого излучения в электрический заряд.In FIG. 4 schematically shows an example of the interaction between quantum dots and silicon in the PC-CT radiation detector shown in FIG. 3 to convert the received radiation into an electrical charge.

На фиг. 5 показан пример системы детектирования и обработки излучения, которая включает в себя ПК КТ детектор излучения, показанный на фиг. 1-4, для использования в беспилотных наземных и/или небесных объектах.In FIG. 5 shows an example of a radiation detection and processing system that includes the PC CT radiation detector shown in FIG. 1-4 for use in unmanned terrestrial and/or celestial objects.

На фиг. 6 показан пример способа в соответствии с вариантом (вариантами) осуществления настоящего изобретения.In FIG. 6 shows an example of a method in accordance with the embodiment(s) of the present invention.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Далее, в общем, описан детектор излучения, выполненный с КТ слоем преобразования излучения, со слоем сбора и передачи данных, с КТ фотоэлектрическим слоем, генерирующим заряд, со слоем накопления энергии, который накапливает заряд и подводит накопленный заряд к слою сбора и передачи данных для измерения заряда, генерируемого КТ слоем преобразования, и считывания сигналов, указывающих этот заряд. В одном из случаев данный КТ ПК детектор излучения выполнен как автономный (т.е. «самопитаемый»), маломощный и компактный блок для дистанционного детектирования и передачи данных в беспилотных наземных и/или космических объектах.Next, a radiation detector configured with a CT radiation conversion layer, a data acquisition and transmission layer, a CT photovoltaic charge generating layer, an energy storage layer that stores charge and supplies the stored charge to the data acquisition and transmission layer for measuring the charge generated by the CT conversion layer and reading signals indicative of this charge. In one of the cases, this CT PC radiation detector is designed as a self-contained (i.e. "self-powered"), low-power and compact unit for remote detection and data transmission in unmanned ground and/or space objects.

На фиг. 1 и фиг. 2 схематически показан пример детектора 100 излучения, такого как ПК КТ детектор излучения. На фиг.1 схематически изображен разнесенный вид в аксонометрии отдельных слоев, показанных в виде плоскостей, а на фиг. 2 схематически изображен вид спереди с отдельными слоями, показанными в виде блоков. Эти иллюстрации предназначены для пояснительных целей и не являются ограничивающими. Например, относительная форма, размер, геометрия и т.д. одного или более слоев в данном примере не являются ограничивающими и могут иметь другую форму, размер, геометрию и т.д. В общем, в некоторых случаях форма, размер, геометрия и т.д. зависят от конкретного применения. В одном варианте детектор может включать в себя больше или меньше слоев. Кроме того, один или более слоев могут быть слоями кремния и/или другими слоями.In FIG. 1 and FIG. 2 schematically shows an example of a radiation detector 100, such as a PC CT radiation detector. FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of the individual layers shown as planes, and FIG. 2 is a schematic front view with the individual layers shown as blocks. These illustrations are for explanatory purposes and are not limiting. For example, relative shape, size, geometry, etc. one or more layers in this example are not limiting and may have a different shape, size, geometry, etc. In general, in some cases, the shape, size, geometry, etc. depends on the specific application. In one embodiment, the detector may include more or fewer layers. In addition, one or more layers may be silicon layers and/or other layers.

Проиллюстрированный ПК КТ детектор 100 излучения включает в себя по меньшей мере КТ фотоэлектрический слой 102, ПК КТ слой 104, слой 106 сбора и передачи, и слой 108 накопления энергии. Неограничивающий пример квантовых точек (КТ) и КТ детекторов излучения раскрыт в заявке на патент ЕР 14186022.1, озаглавленной "Инкапсулированные материалы в пористых частицах", поданной 23 сентября 2014 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки, и в заявке на патент WO 2017/025888 А1, озаглавленной "Визуализирующий детектор на основе квантовых точек", поданной 8 августа 2016 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.The illustrated PC CT radiation detector 100 includes at least a CT photovoltaic layer 102, a PC CT layer 104, a collection and transmission layer 106, and an energy storage layer 108. A non-limiting example of quantum dots (QDs) and CT radiation detectors is disclosed in patent application EP 14186022.1 entitled "Encapsulated materials in porous particles" filed September 23, 2014, which is incorporated herein by reference in its entirety, and in patent application WO 2017 /025888 A1, entitled "Quantum Dot Imaging Detector", filed August 8, 2016, which is incorporated herein by reference in its entirety.

КТ фотоэлектрический слой 102 выполнен с возможностью поглощения конкретного излучения и генерирования фотоэлектрического заряда в ответ на излучение. ПК КТ слой 104 выполнен с возможностью поглощения конкретного излучения и генерирования электрического сигнала, указывающего электрическую энергию поглощенного излучения. Квантовые точки в порах пористого кремния взаимодействует с кремнием для преобразования излучения в заряд через генерацию и разделение электронно-дырочной пары. Слой 106 сбора и передачи выполнен с возможностью измерения электрического сигнала и направления данных, указывающих данный сигнал от детектора излучения. Слой 108 накопления энергии накапливает фотоэлектрический заряд и подводит рабочую мощность к слою 106 сбора и передачи. Накопленный заряд может также быть использован для питания других устройств, требующих электропитания.The QD photovoltaic layer 102 is configured to absorb specific radiation and generate a photovoltaic charge in response to the radiation. PC CT layer 104 is configured to absorb a particular radiation and generate an electrical signal indicative of the electrical energy of the absorbed radiation. Quantum dots in the pores of porous silicon interact with silicon to convert radiation into charge through the generation and separation of an electron-hole pair. The acquisition and transmission layer 106 is configured to measure an electrical signal and send data indicative of that signal from a radiation detector. The energy storage layer 108 stores the photoelectric charge and supplies operating power to the collection and transmission layer 106 . The stored charge can also be used to power other devices that require power.

Примерный детектор 100 излучения может быть заключен в капсулу, например, светопрозрачное покрытие, пленку, кожух и т.д. ПК КТ детектор 100 излучения может быть использован отдельно (как показано на фигуре) или с одним или более другими ПК КТ детекторами 100 излучения и/или другими детекторами излучения, например, в модуле или иным образом. ПК КТ детектор излучения хорошо подходит для таких областей применения, как беспилотные наземные или космические объекты и/или другие объекты, в которых перезарядка слоя 108 накопления энергии невозможна, а КТ фотоэлектрический слой 102 генерирует заряд, достаточный для рабочей мощности. Другие применения также подразумеваются в настоящем документе.An exemplary radiation detector 100 may be encapsulated, such as a translucent coating, film, casing, etc. The PC CT radiation detector 100 may be used alone (as shown in the figure) or with one or more other PC CT radiation detectors 100 and/or other radiation detectors, such as in a module or otherwise. The PC CT radiation detector is well suited for applications such as unmanned terrestrial or space objects and/or other objects where recharging of the energy storage layer 108 is not possible and the CT photovoltaic layer 102 generates sufficient charge for operating power. Other uses are also contemplated in this document.

На фиг. 1 КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой верхний слой по отношению к направлению падающего излучения. В одном варианте КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой нижний слой, т.е. находящийся ниже слоя 108 накопления энергии. В другом варианте КТ фотоэлектрический слой 102 проходит вертикально относительно ПК КТ слоя 104, слоя 106 сбора и передачи и слоя 108 накопления энергии, вдоль стороны (например, слева, сзади, справа, спереди) одного или более из ПК КТ слоя 104, слоя 106 сбора и передачи и слоя 108 накопления энергии. В другом варианте детектор 100 излучения включает в себя несколько КТ фотоэлектрических слоев 102 с одной или более сторон (например, сверху, снизу, слева, сзади, справа, спереди) детектора 100 излучения, включая одну и ту же сторону и/или разные стороны. В одном примере дополнительные КТ фотоэлектрические слои увеличивают поглощение энергии.In FIG. 1 CT photovoltaic layer 102 is the top layer with respect to the direction of the incident radiation. In one embodiment of the CT, the photovoltaic layer 102 is the bottom layer, i. below the energy storage layer 108 . In another embodiment, the CT photovoltaic layer 102 extends vertically with respect to the PC CT layer 104, the acquisition and transmission layer 106, and the energy storage layer 108, along the side (e.g., left, rear, right, front) of one or more of the PC CT layer 104, the layer 106 collection and transmission; and an energy storage layer 108 . In another embodiment, the radiation detector 100 includes multiple QD photovoltaic layers 102 on one or more sides (e.g., top, bottom, left, rear, right, front) of the radiation detector 100, including the same side and/or different sides. In one example, additional CT photovoltaic layers increase energy absorption.

На фиг. 3 схематично показан неограничивающий пример ПК КТ детектора 100 излучения, изображенного на фиг. 1 и фиг. 2. Следует понимать, что размер, форма и т.д. предназначены для пояснительных целей и не являются ограничивающими.In FIG. 3 schematically shows a non-limiting example of a PC CT radiation detector 100 shown in FIG. 1 and FIG. 2. It should be understood that the size, shape, etc. are for explanatory purposes and are not limiting.

КТ фотоэлектрический слой 102 включает в себя прозрачную для излучения подложку 302, КТ поглощающий фотоэлектрический материал 304, электропроводящий контакт 306. КТ фотоэлектрический слой 102 представляет собой более тонкий слой по сравнению с ПК КТ слоем 104. КТ фотоэлектрический слой 102 выполнен с возможностью поглощения излучения и, в ответ на это, генерирования фотоэлектрической энергии. Проиллюстрированный КТ фотоэлектрический слой 102 включает в себя матрицу квантовых точек, настроенную на определенную запрещенную зону / сегмент светового спектра, например, сегмент видимого света, инфракрасный (ИК) сегмент и/или другой сегмент. В одном примере кристаллы настраиваются за счет размерности (например, размера) квантовых точек. Излучение 300 (например, фотоны) принимается прозрачной для излучения подложкой 302.The CT photovoltaic layer 102 includes a radiation-transparent substrate 302, a CT photovoltaic absorbing material 304, an electrically conductive contact 306. The CT photovoltaic layer 102 is a thinner layer compared to the PC CT layer 104. The CT photovoltaic layer 102 is configured to absorb radiation and , in response to this, generating photovoltaic energy. The CT-illustrated photovoltaic layer 102 includes a quantum dot array tuned to a specific bandgap/segment of the light spectrum, such as a visible light segment, an infrared (IR) segment, and/or another segment. In one example, the crystals are tuned by the dimension (eg, size) of the quantum dots. Radiation 300 (eg, photons) is received by a radiation-transparent substrate 302.

Пример КТ фотоэлектрического слоя описан в работе Бхандари и др. "Тонкопленочные солнечные элементы на основе гетероперехода коллоидных квантовых точек PbS с CdS", Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы, том 117, октябрь 2013, стр. 476-482 (Bhandari, etal., "Thin film solar cells based on the heterojunction of colloidal PbS quantum dots with CdS", Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 117, October 2013, pages 476-482). Другой пример описан в работе Нозик и др., "Полупроводниковые квантовые точки и массивы квантовых точек и применение генерации множественных экситонов к фотоэлектрическим солнечным элементам третьего поколения", Химические обзоры, том 110, редакция 2010, стр. 6873-6890 (Nozik, et al., "Semiconductor Quantum Dots and Quantum Dot Arrays and Applications of Multiple Exciton Generation to Third-Generation Photovoltaic Solar Cells", Chemical Reviews, Volume 110, Revision 2010, pages 6873-6890). Другой пример описан в работе Семонин и др., "Квантовые точки для фотоэлектрической энергетики следующего поколения", Материалы сегодня, том 15, ноябрь 2012, выпуск 11 (Semonin, et al., "Quantum Dots for Next Generation Photovoltaics", Materials Today, Volume 15, November 2012, Issue 11). В настоящем документе также подразумеваются и другие конфигурации.An example of a QD photovoltaic layer is described in Bhandari et al. "Thin Film Solar Cells Based on Heterojunction of PbS Colloidal Quantum Dots with CdS", Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 117, October 2013, pp. 476-482 (Bhandari, et al., "Thin film solar cells based on the heterojunction of colloidal PbS quantum dots with CdS", Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 117, October 2013, pages 476-482). Another example is described in Nozik et al., "Semiconductor Quantum Dots and Quantum Dot Arrays and the Application of Multiple Exciton Generation to Third Generation Photovoltaic Solar Cells", Chemical Reviews, Volume 110, Edition 2010, pp. 6873-6890 (Nozik, et al ., "Semiconductor Quantum Dots and Quantum Dot Arrays and Applications of Multiple Exciton Generation to Third-Generation Photovoltaic Solar Cells", Chemical Reviews, Volume 110, Revision 2010, pages 6873-6890). Another example is described in Semonin, et al., "Quantum Dots for Next Generation Photovoltaics", Materials Today, Volume 15, November 2012, Issue 11 (Semonin, et al., "Quantum Dots for Next Generation Photovoltaics", Materials Today, Volume 15, November 2012, Issue 11). Other configurations are also contemplated in this document.

ПК КТ слой 104 включает в себя ПК мембрану 308 с объемным Si материалом 310 и столбчатые поры 312, заполненные квантовыми точками 314 (в данном примере из сульфида свинца (PbS)). ПК КТ слой 104 представляет собой более толстый слой по сравнению с КТ фотоэлектрическим слоем 102. Квантовые точки 314 в столбчатых порах 312 и кремний в объемном Si материале 310 взаимодействуют, преобразуя принятое излучение 300 в электрический заряд (сигнал, импульс и т.д.) посредством генерации электронно-дырочных пар. Пример ПК КТ слоя 104 раскрыт в заявке на патент 62/649,615, озаглавленной "Определение пикселей в детекторе излучения из пористого кремния с квантовыми точками " поданной 29 марта 2018 года, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.The PC QD layer 104 includes a PC membrane 308 with bulk Si material 310 and columnar pores 312 filled with quantum dots 314 (lead sulfide (PbS) in this example). PC QD layer 104 is a thicker layer compared to QD photovoltaic layer 102. Quantum dots 314 in columnar pores 312 and silicon in bulk Si material 310 interact to convert the received radiation 300 into an electrical charge (signal, pulse, etc.) by generating electron-hole pairs. An example of PC CT layer 104 is disclosed in Patent Application 62/649,615 entitled "Pixel Determination in a Porous Silicon Quantum Dot Radiation Detector" filed March 29, 2018, which is incorporated herein by reference in its entirety.

На фиг. 4 показан пример взаимодействия между квантовыми точками и кремнием для преобразования принятого излучения в электрический заряд. В этом примере ПК КТ слой 104 также включает в себя электрические проводники 402 и 404 (в данном примере алюминиевые (Al) контакты) на противоположных сторонах 406 и 408, соответственно, ПК мембраны 308. Опять же, квантовые точки 314 в столбчатых порах 312 и кремний в объемном Si материале 310 взаимодействуют с целью преобразования принятого излучения 300 в электрический заряд посредством генерации электронно-дырочных пар.In FIG. 4 shows an example of the interaction between quantum dots and silicon to convert the received radiation into an electrical charge. In this example, the PC QT layer 104 also includes electrical conductors 402 and 404 (in this example, aluminum (Al) contacts) on opposite sides 406 and 408, respectively, of the PC membrane 308. Again, quantum dots 314 in columnar pores 312 and the silicon in the bulk Si material 310 interact to convert the received radiation 300 into an electrical charge by generating electron-hole pairs.

Возвращаясь к фиг. 3, слой 106 сбора и передачи включает в себя металлический слой 316, подложку 318 и схему 320. Металлический слой 316 электрически соединен с объемным Si материалом 310 ПК КТ слоя 104 через электропроводный адгезив или т.п. Пример с пикселизацией раскрыт в заявке на патент 62/649,615. Схема 320 (например, специализированная интегральная схема (ASIC, от англ. application specific integrated circuit) или т.п.) расположена на подложке 318. В данном примере сигналы, генерируемые в ПК КТ слое 104, направляются в схему 320 через сквозные переходные отверстия 319 (THV, от англ. through-hole vias) (напр., через кремниевые переходные отверстия) в подложке 318. В одном варианте эти сигналы направляются посредством проводов, гибкой печатной платы или т.п. В одном примере схема 320 включает в себя считывающую электронику (не показана на фигуре) и считывает измеренные сигналы. В другом примере схема 320 сначала обрабатывает (например, усиливает, фильтрует, объединяет и т.д.) измеренные сигналы, а затем считывает обработанные сигналы. Схема 320 может быть выполнена с возможностью управления как процессом сбора данных, так и процессом считывания данных.Returning to FIG. 3, the acquisition and transmission layer 106 includes a metal layer 316, a substrate 318, and a circuit 320. The metal layer 316 is electrically connected to the bulk Si material 310 of the PCKT layer 104 via an electrically conductive adhesive or the like. An example with pixelation is disclosed in patent application 62/649,615. Circuit 320 (e.g., an application specific integrated circuit (ASIC) or the like) is disposed on substrate 318. In this example, signals generated at PCT layer 104 are routed to circuit 320 via vias. 319 (THV, through-hole vias) (e.g., through silicon vias) in substrate 318. In one embodiment, these signals are routed through wires, a flexible printed circuit board, or the like. In one example, circuit 320 includes readout electronics (not shown in the figure) and reads the measured signals. In another example, circuit 320 first processes (eg, amplifies, filters, combines, etc.) the measured signals and then reads the processed signals. Circuit 320 may be configured to control both the data collection process and the data reading process.

Слой 108 накопления энергии включает в себя устройство 322 накопления заряда, например, перезаряжаемую батарею, суперконденсатор и/или т.п. В данном примере заряд, генерируемый в КТ фотоэлектрическом слое 102, направляется к слою 108 накопления энергии через электрический канал 324, такой как провода, гибкая печатная плата или т.п., расположенный на стороне 326 ПК КТ детектора 100 излучения. В этом примере заряд, накопленный в слое 108 накопления энергии, направляется к слою 106 сбора и передачи посредством электрических контактов 328 и 330 к устройству 322 накопления заряда и специализированной интегральной схеме 320. В одном варианте заряд передается посредством проводов, гибкой печатной платы и т.п.В проиллюстрированном примере схема 320 управляет слоем 108 накопления энергии. В одном варианте слой 108 накопления энергии включает в себя собственную схему для управления.The energy storage layer 108 includes a charge storage device 322 such as a rechargeable battery, a supercapacitor, and/or the like. In this example, the charge generated in the CT photovoltaic layer 102 is directed to the power storage layer 108 through an electrical conduit 324 such as wires, a flexible circuit or the like located on the PC CT side 326 of the radiation detector 100. In this example, the charge stored in the energy storage layer 108 is directed to the collection and transfer layer 106 via electrical contacts 328 and 330 to the charge storage device 322 and ASIC 320. In one embodiment, the charge is transferred via wires, a flexible printed circuit board, etc. n. In the illustrated example, the circuit 320 controls the energy storage layer 108. In one embodiment, the energy storage layer 108 includes its own circuitry for control.

Пример кремниевого устройства накопления заряда описан в работе Оукс и др., "Пористый кремний с обработанной поверхностью для стабильных, высокоэффективных электрохимических суперконденсаторов", Научные отчеты, том 3, октябрь 2013 г., номер статьи: 3020 (Oakes, et al., "Surface engineered porous silicon for stable, high performance electrochemical supercapacitors," Scientific Reports, Volume 3, October 2013, Article number: 3020). Другой пример устройства накопления заряда описан в работе Гауда и др., "Создание устройства накопления энергии на отдельном нанопроводе", Нано Письма, 11 (8), июль 2011 г., стр. 3329-3333 (Gowda, et al., "Building Energy Storage Device on a Single Nanowire," Nano Letters, 11 (8), July 2011, pages 3329-3333). Другой пример устройства накопления заряда описан в работе Гарднер и др., "Встроенный накопитель энергии на чипе, использующий пассивированные нанопористые кремниевые электрохимические конденсаторы", Нано Энергия, том 25, июль 2016 г., стр. 68-79 (Gardner, et al., "Integrated on-chip energy storage using passivated nanoporous-silicon electrochemical capacitors," Nano Energy, Volume 25, July 2016, Pages 68-79). В настоящем документе также подразумеваются другие конфигурации.An example of a silicon charge storage device is described in Oakes et al., "Surface-Treated Porous Silicon for Stable, High Efficiency Electrochemical Supercapacitors," Science Reports, Volume 3, October 2013, Article Number: 3020 (Oakes, et al., " Surface engineered porous silicon for stable, high performance electrochemical supercapacitors," Scientific Reports, Volume 3, October 2013, Article number: 3020). Another example of a charge storage device is described in Gowda et al., "Building an Energy Storage Device on a Single Nanowire", Nano Letters, 11 (8), July 2011, pp. 3329-3333 (Gowda, et al., "Building Energy Storage Device on a Single Nanowire," Nano Letters, 11 (8), July 2011, pages 3329-3333). Another example of a charge storage device is described in Gardner et al., "Integrated Energy Storage on a Chip Using Passivated Nanoporous Silicon Electrochemical Capacitors", Nano Energy, Volume 25, July 2016, pp. 68-79 (Gardner, et al. , "Integrated on-chip energy storage using passivated nanoporous-silicon electrochemical capacitors," Nano Energy, Volume 25, July 2016, Pages 68-79). This document also refers to other configurations.

В одном неограничивающем примере ширина 332 и глубина 333 ПК КТ детектора 100 излучения находятся в диапазоне от двадцати до пятидесяти миллиметров (20-50 мм), толщина 334 прозрачной для излучения подложки составляет примерно десять микрон (10 мкм), толщина 336 комбинации КТ поглощающего фотоэлектрического материала 304 и электропроводящего контакта 306 составляет примерно сто микрон (100 мкм), а толщина 338 ПК мембраны находится в диапазоне от трехсот до тысячи микрон (300-1000 мкм), толщина 340 слоя 106 сбора и передачи находится в диапазоне от семисот до тысячи микрон (700-1000 мкм), а толщина 342 слоя 108 накопления энергии находится в диапазоне миллиметр или больше (1+ мм). В данном документе также подразумевается ПК КТ детектор 100 излучения с другим расположением слоев и/или со слоями другой толщины.In one non-limiting example, the width 332 and the depth 333 of the PC CT of the radiation detector 100 are in the range of twenty to fifty millimeters (20-50 mm), the thickness 334 of the radiation-transparent substrate is about ten microns (10 μm), the thickness 336 of the CT combination of the absorbing photovoltaic material 304 and electrically conductive contact 306 is about one hundred microns (100 microns), and the thickness 338 of the PC membrane is in the range of three hundred to one thousand microns (300-1000 microns), the thickness 340 of the collection and transmission layer 106 is in the range of seven hundred to one thousand microns (700-1000 µm), and the thickness 342 of the energy storage layer 108 is in the range of a millimeter or more (1+ mm). This document also refers to the PC CT radiation detector 100 with a different arrangement of layers and/or with layers of different thicknesses.

На фиг. 5 показан пример системы детектирования и обработки излучения. Система детектирования и обработки излучения включает в себя модуль 502 с одним или более ПК КТ детекторами 100 излучения и устройство 504 обработки, удаленное от одного или более ПК КТ детекторов излучения и являющееся их частью.In FIG. 5 shows an example of a radiation detection and processing system. The radiation detection and processing system includes a module 502 with one or more PC CT radiation detectors 100 and a processing device 504 remote from and part of one or more PC CT radiation detectors.

Один или более ПК КТ детекторов 100 излучения расположены на беспилотном наземном объекте или в космическом пространстве. Как правило, в этих местоположениях ручная подзарядка устройства накопления энергии слоя 104 накопления энергии невозможна. Однако, для применения с малым энергопотреблением заряд, генерируемый КТ фотоэлектрическим слоем 102 и накопленный в слое 104 накопления энергии, обеспечивает рабочую мощность для одного или более ПК КТ детекторов излучения для измерения детектируемого излучения и передачи этого излучения на другое устройство, например, на устройство 504 обработки.One or more PC CT radiation detectors 100 are located on an unmanned ground facility or in outer space. Typically, at these locations, manual recharging of the energy storage device of the energy storage layer 104 is not possible. However, for a low power application, the charge generated by the CT photovoltaic layer 102 and stored in the energy storage layer 104 provides operating power for one or more PC CT radiation detectors to measure the detected radiation and transmit that radiation to another device, such as device 504. processing.

В проиллюстрированном примере модуль 502 и/или один или более ПК КТ детекторов 100 излучения включают в себя по меньшей мере беспроводной интерфейс 506. В одном примере беспроводной интерфейс 506 выполнен с беспроводным передатчиком, выполненным с возможностью передачи данных, указывающих измеренный сигнал, на устройство 504 обработки. В другом примере беспроводной интерфейс 506 выполнен с беспроводным приемопередатчиком и не только передает данные, но и принимает данные (например, команду, запрос данных и т.д.) от устройства 504 обработки. Питание беспроводного интерфейса 506 также осуществляется посредством слоя 108 накопления энергии.In the illustrated example, the module 502 and/or one or more PC CT radiation detectors 100 include at least a wireless interface 506. In one example, the wireless interface 506 is configured with a wireless transmitter configured to transmit data indicative of the measured signal to the device 504 processing. In another example, the wireless interface 506 is configured with a wireless transceiver and not only transmits data, but also receives data (eg, a command, a data request, etc.) from the processing device 504. The wireless interface 506 is also powered by the energy storage layer 108 .

Устройство 504 обработки включает в себя процессор 508 (например, центральный процессор (ЦП), микропроцессор и т.д.), запоминающее устройство (память) 510 и беспроводной интерфейс 512. Запоминающее устройство 510 включает в себя один или более алгоритмов, таких как один или более спектральных и/или неспектральных алгоритмов, для обработки данных, принятых от модуля 502. Такая обработка, в одном примере, включает в себя генерирование изображения. В одном примере процессор 508 остается в режиме ожидания с пониженным энергопотреблением для передачи данных только при срабатывании за счет детектируемого излучения, что позволяет экономить электроэнергию. Беспроводной интерфейс 512 выполнен с дополнительным беспроводным приемником или беспроводным приемо-передатчиком для приема или приема и передачи данных (например, команды, запроса данных и т.д.).The processing device 504 includes a processor 508 (e.g., a central processing unit (CPU), microprocessor, etc.), a storage device (memory) 510, and a wireless interface 512. The storage device 510 includes one or more algorithms, such as one or more spectral and/or non-spectral algorithms for processing data received from module 502. Such processing, in one example, includes generating an image. In one example, the processor 508 remains in a low power standby mode for data transmission only when triggered by detectable radiation, thereby conserving power. The wireless interface 512 is provided with an optional wireless receiver or wireless transceiver for receiving or receiving and transmitting data (eg, command, data request, etc.).

На фиг. 6 представлен пример способа в соответствии с вариантом (вариантами) осуществления.In FIG. 6 shows an example of a method according to the embodiment(s).

На этапе 602 КТ фотоэлектрический слой 102 ПК КТ детектора 100 излучения принимает первое излучение.In the CT step 602, the photoelectric layer 102 of the CT PC of the radiation detector 100 receives the first radiation.

На этапе 604 КТ фотоэлектрический слой 102 преобразует принятое излучение в заряд.At CT step 604, the photovoltaic layer 102 converts the received radiation into a charge.

На этапе 606 слой 108 накопления энергии ПК КТ детектора 100 излучения накапливает заряд.In step 606, the energy storage layer 108 of the PC CT radiation detector 100 accumulates a charge.

На этапе 608 слой 106 сбора и передачи ПК КТ детектора 100 излучения принимает рабочую мощность от слоя 108 накопления энергии.In step 608, the PC CT acquisition and transmission layer 106 of the radiation detector 100 receives operating power from the energy storage layer 108 .

На этапе 610 ПК КТ слой 104 ПК КТ детектора 100 излучения принимает второе излучение.In step 610 PC CT layer 104 PC CT radiation detector 100 receives the second radiation.

На этапе 612 ПК КТ слой 104 преобразует второе излучение в сигнал, указывающий уровень энергии второго излучения.In step 612, the PC CT layer 104 converts the second radiation into a signal indicative of the energy level of the second radiation.

На этапе 614 слой 106 сбора и передачи измеряет сигнал, указывающий уровень энергии второго излучения.In step 614, the acquisition and transmission layer 106 measures a signal indicative of the energy level of the second radiation.

На этапе 616 слой 106 сбора и передачи направляет (необработанные и/или обработанные) результаты измерения от ПК КТ детектора 100 излучения.In step 616, the acquisition and transmission layer 106 sends (raw and/or processed) measurement results from the PC CT radiation detector 100 .

В одном примере направленные (необработанные и/или обработанные) результаты измерения обрабатывают с помощью устройства, удаленного от ПК КТ детектора 100 излучения.In one example, directed (raw and/or processed) measurements are processed by a device remote from the PC CT radiation detector 100 .

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и детально описано на чертежах и в предшествующем описании, такое иллюстрирование и описание следует считать приведенным в качестве примера, но не носящим ограничительный характер; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области могут быть осознаны и осуществлены другие варианты раскрытых вариантов осуществления изобретения на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and in the foregoing description, such illustration and description is to be considered by way of example and not as limiting; the invention is not limited to the disclosed embodiments. Those skilled in the art may recognize and practice other variations of the disclosed embodiments of the invention based on examination of the drawings, description, and appended claims.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественности. Один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле. Тот факт, что некоторые меры указаны во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества.In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the use of the singular does not exclude plurality. One processor or other device can perform the functions of several elements specified in the formula. The fact that certain measures are listed in mutually distinct dependent claims does not mean that a combination of these measures cannot be used to advantage.

Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, оптическом носителе или твердотельном носителе, поставляемом вместе с другим оборудованием или как часть другого оборудования, а также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.The computer program may be stored/distributed on suitable media, such as optical media or solid state media provided with or as part of other equipment, and may also be distributed in other forms, such as over the Internet or other wired or wireless telecommunications systems. Any reference designations in the claims should not be construed as limiting the scope of the invention.

Claims

1. Detector (100) radiation, containing:

a photovoltaic layer (102) with a first side and a second opposite side, the photovoltaic layer being configured to absorb the first radiation on the first side and generate an electric charge;

a quantum dot porous silicon layer (104) disposed on a second side of the photovoltaic layer and configured to receive the second radiation and convert the received second radiation into an electrical signal indicative of an energy level of the received second radiation;

an acquisition and transmission layer (106) adjacent to the porous quantum dot silicon layer and configured to receive an electrical signal and transmit the electrical signal to a device remote from the radiation detector; and

an energy storage layer (108) adjacent to the collection and transmission layer and configured to store an electric charge and supply the accumulated electric charge as a working power to the collection and transmission layer.

2. The radiation detector according to claim 1, wherein the photovoltaic layer includes a layer of quantum dots.

3. The radiation detector according to any one of paragraphs. 1, 2, in which the photovoltaic layer is configured to absorb radiation in a band from the group consisting of visible light and infrared light.

4. The radiation detector according to any one of paragraphs. 1-3, in which the photovoltaic layer includes a solar cell with a layer of quantum dots.

5. The radiation detector according to any one of paragraphs. 1-4, wherein the energy storage layer includes one or more rechargeable battery cells.

6. The radiation detector according to any one of paragraphs. 1-5, in which the energy storage layer includes a supercapacitor.

7. The radiation detector according to any one of paragraphs. 1-6, in which the acquisition and transmission layer includes an integrated circuit.

8. The radiation detector of claim 7, wherein the integrated circuit is configured to process an electrical signal and transmit the processed electrical signal to the device.

9. Radiation detection and processing system, comprising:

an unmanned terrestrial or celestial radiation detection module (502), including the radiation detector (100) of claim 1, including a quantum dot photovoltaic layer configured to absorb the first radiation and generate an electric charge;

an energy storage layer configured to store an electric charge;

a layer of porous quantum dot silicon configured to receive the second radiation and generate an electrical signal indicative of the received second radiation; and

an acquisition and transmission layer configured to be powered by the accumulated charge and configured to measure the electrical signal and transmit measurement results from the detection module; and

a processing device (504) configured to receive and process the measurement results, wherein the processing device is remote from the unmanned terrestrial or celestial radiation detection module.

10. The system of claim 9, wherein the module includes a wireless interface (506) configured to at least wirelessly transmit measurement results to the processing device.

11. The system according to any one of paragraphs. 9, 10, in which the processing device includes a wireless interface (512) configured to at least wirelessly receive measurement results from the module.

12. The system according to any one of paragraphs. 9-11, in which the processing device also includes:

a memory (510) configured to store instructions for processing data from the module; and

a processor (508) configured to process data from the module in accordance with the specified instructions.

13. The system of claim 12, wherein the instructions include one or more spectral algorithms.

14. The system according to any one of paragraphs. 9-13, in which the photovoltaic layer is configured to absorb radiation in a band from the group consisting of visible light and infrared light.

15. The system according to any one of paragraphs. 9-14, wherein the photovoltaic layer includes a quantum dot solar cell, the photovoltaic layer having a first thickness and the porous quantum dot silicon layer having a second thickness, the first thickness being less than the second thickness.

16. The system according to any one of paragraphs. 9-15, wherein the energy storage layer includes a rechargeable battery and/or a supercapacitor.

17. A method for detecting radiation by a radiation detector (100) according to claim 1, including:

receiving, by means of the photoelectric layer of the radiation detector, the first radiation;

converting, with said photovoltaic layer, the received first radiation into an electric charge;

the accumulation of electric charge in the energy storage layer of the radiation detector;

powering the collection and transmission layer of the radiation detector with the accumulated electric charge;

measuring, with the powered acquisition and transmission layer of the radiation detector, an electrical signal generated by the porous quantum dot silicon layer in response to absorption by the porous quantum dot silicon layer of a second radiation, and generating an electrical signal that indicates the absorbed second radiation; and

transmitting, by means of the acquisition and transmission layer, data indicative of the measured signal from the radiation detector.

18. The method according to p. 17, also including:

operating the acquisition and transmission layer in a low-power standby mode;

reception of radiation using a radiation detector; and

triggering, in response to receiving radiation, the acquisition and transmission layer to process the measured signal, the data indicating the processed measured signal.

19. The method according to any one of paragraphs. 17, 18, also including:

receiving the transmitted data by a processing device remote from the radiation detector; and

processing the received data by the remote processing device.

20. The method according to any one of paragraphs. 17-19, in which the acquisition and transmission layer only receives operating power from the energy storage layer.