Podané

Elektrotechnický ústav Slovenskej akadémie vied, spolu s partnermi, vypracoval projekt „Pokročilý materiálový výskum GaAs detektorov pre využitie v priemysle a medicíne“ (s kódom NFP313010V982), ktorým sa uchádza o pridelenie nenávratného finančného príspevku vo výške takmer 10 mil. NFP v rámci výzvy na podporu dlhodobého strategického výskumu – priemysel pre 21. storočie, kód OPVaI-VA/DP/2018/1.2.1-05.

Aktivity projektu boli zostavené s prihliadaním na existujúcu infraštruktúru výskumu a vývoja, skúsenosti a potreby partnerov konzorcia, ako aj interdisciplinárny charakter definovaných výstupov a pokrývajú komplexné úlohy zohľadňujúce zložitosť materiálového výskumu GaAs detektora a snahu o identifikovanie priemyselných aplikácií s najväčším komerčným potenciálom, predovšetkým v oblasti bezpečnosti a zdravotníckych technológií. Snahou konzorcia je na základe výsledkov realizovaného materiálového výskumu vymedziť najvhodnejšie oblasti a hranice možného využitia detekčnej jednotky na báze GaAs v praxi a porovnať možné riešenie s dostupnými alternatívnymi produktmi a navrhnúť optimalizácie.

Partneri projektu (Ústav nerania SAV, Fyzikálny ústav SAV, Ústav informatiky SAV, Centrum pre využitie pokročilých materiálov SAV, Vysoká škola zdravotníctva a sociálnej práce sv. Alžbety, EVPÚ, a.s., GX Solutions, a.s.) disponujú dlhoročnými skúsenosťami s interdisciplinárnym výskumom, pričom konzorcium komplementárne pokrýva všetky oblasti skúmanej problematiky od komplexného základného materiálového výskumu, aplikovaných elektronických riešení, softvérovej podpory až po podporu efektívnej komercializácie v praxi. Pre realizáciu projektu a prístup k naakumulovanému know-how v rámci SR je kľúčové zapojenie Elektrotechnického ústavu SAV. Štúdiu detektorov na báze semiizolačného GaAs sa vedci venujú už viac ako 20 rokov. V roku 2004 získal výskumný tím ELÚ SAV zlatú medailu za vývoj malého röntgenového skenera na báze pixelového detektora GaAs. Nedávno boli vyvinuté a zapojené pixelové detektory na báze semiizolačného GaAs pre vyčítavací čip Timepix.

Projekt bude realizovaný na výskumných pracoviskách v Piešťanoch, Nových Zámkoch, Košiciach, Banskej Bystrici, Trnave, Novej Dubnici, Dubnici nad Váhom, či Bratislave. Disponuje najmodernejším výskumným zariadením a technickou infraštruktúrou s priamym napojením na viaceré výskumné parky. Realizácia projektu priamo nadväzuje na aktivity realizované predovšetkým v rámci Centra aplikovaného výskumu nových materiálov a transferu technológií (kód ITMS: 26240220088). Na realizácii projektu sa priamo podieľajú viaceré kľúčové vedecké osobnosti pripravovaného projektu a zároveň v  rámci Centra bolo vytvorené Laboratórium materiálov pre elektrotechniku, ku ktorého kľúčovým výskumným prioritám patrí: Príprava tenkých vrstiev pre detektory na báze GaAs. Pripravovaný projekt preto v plnej miere podporuje aj výskumné aktivity plánované v rámci Centra. Na jeho realizácii sa priamo podieľajú Elektrotechnickú ústav SAV, Fyzikálny ústav SAV – CEMEA ako nový ústav SAV bol vytvorený na základe popisovaného projektu a je možné ho považovať za jeho priame pokračovanie. Celkovo bude na posilnenie kompetencií Centra v rámci projektu investovaných 3.944.626,97 EUR, čo predstavuje 33,73 % z celkových oprávnených výdavkov projektu a 39,45 % z NFP. V rámci týchto nákladov sú započítané výdavky ELÚ SAV, FÚ SAV, CEMEA a Elektrónový nanolitograf UI SAV, ktorý je kľúčovým, zariadením potrebným pre naplnenie cieľov projektu. Bude na ňom realizovaná priama litografia elektrónovým lúčom s vysokým rozlíšením, ako aj výroba litografických masiek slúžiacich ako replika pre DUV litografiu čipov GaAs detektorov.

Výdavky ÚM SAV, ktorý do projektu prináša svoje unikátne poznatky spojené s vývojom experimentálneho zariadenia rádiologického systému novej generácie prispejú k posilneniu výskumných zámerov Univerzitného výskumného parku pre biomedicínu Bratislava – SAV (kód ITMS: 26240220087), ktorého zámerom je aj inovácia najmodernejších diagnostických postupov. Takýmto spôsobom by efektívne riešenie GaAs detektorov mohlo prispieť aj k riešeniu úloh UVP BIOMED. Celkovo bude na posilnenie kompetencií Centra v rámci projektu investovaných 382.536 EUR, čo predstavuje 3,27 % z celkových oprávnených výdavkov projektu a 3,83 % z NFP.

Celkovo bude kapacita univerzitného vedeckého parku/výskumného centra podporená sumou 4.327.162,97 EUR, čo predstavuje 37 % z celkových oprávnených výdavkov projektu a 43,27 % z NFP. Kompletný zoznam výdavkov je dostupný tu.

Súčasný vývoj nových technológií, postupov a výskumu v oblasti pokročilých materiálov umožňuje detegovať spektrum žiarenia, ktoré sa v minulosti nevyužívalo. Tento projekt výskumu je zameraný na využitie nových materiálov a prístup k vývoju nového typu detektora na báze GaAs a podstatné zdokonalenie detektorov nízkoenergetického röntgenového (rtg) žiarenia.

V súčasnosti sú bežne používané detektory najmä na báze scintilačných materiálov a spracovanie signálu je v tvz. integračnom móde (bez rozlíšenia v energii dopadnutých rtg fotónov). Výskum sa   zameriava na polovodičové pixelové detektory s priamou konverziou rtg žiarenia. Ich výhoda je vo vyššej rýchlosti (na výstupe detektora je krátky pulz s vysokou amplitúdou), vyššej účinnosti detekcie (rtg žiarenie môžeme detegovať len s určitou pravdepodobnosťou), resp. nižšej radiačnej záťaži  a lepšej rozlišovacej schopnosti v energii (10 x lepšie energetické rozlíšenie oproti scintilátorom). Integrovanie pixelového polovodičového detektora priamo na najnovší ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) čip umožňujú nielen rozlišovať jednotlivé dopadajúce rtg fotóny na jednotlivé pixely, ale aj ich vstupnú energiu. Takáto detekčná jednotka poskytuje výrazne vyššie množstvo obrazových dát pri rovnakej intenzite rtg žiarenia, čo kladie vyššie nároky na obrazové spracovanie. Využitie informácií zakódovaných do energie rtg fótónov otvára novú oblasť v CT tomografii, ako je nielen skúmanie kostí, ale aj detailné zobrazenie mäkkých častí (svaly, cievy, vnútorné orgány) bez nutnosti využitia kontrastných látok. Predkladaný projekt sa venuje výskumu a vývoju detekčnej jednotky na báze GaAs priamo integrovanej  na ASIC čipoch a jej aplikácií v mobilnom CT prístroji pre klinickú prax. Inou aplikáciou by bolo využitie detekčnej jednotky pri aplikáciách zabezpečujúcich bezpečnosť a ochranu obyvateľstva a majetku v mobilných alebo statických CT prístrojov napr. pri skenovaní zásielok, batožiny a i.

Rtg detekčná jednotka na báze GaAs senzorov s vyčítavacími čipmi typu Medipix/Timepix prináša vlastný originálny návrh, ktorý doteraz nebol vo svete dostatočne úspešne realizovaný a aplikovaný. Originálne budú aj metódy spracovania získaných obrazových dát, ktoré umožnia zobraziť aj informácie o skúmanom objekte, na ktoré je v súčasnosti nutné použiť ďalšie zobrazovacie zariadenia (napr. PET, SPECT, príp. NMR).

Nové detektory materiálov vedia fungovať pri podstatne slabšom žiarení, zároveň však s presnejšou detekciou. Môžu byť využité v celom rade odvetví, s potenciálom zachraňovať životy, zvyšovať bezpečnosť, dodržiavať normy pre potraviny a lieky a zvyšovať efektívnosť priemyslu. Príklady uplatnenia:

  • detekcia nebezpečných materiálov v rámci prepravy zásielok, batožinovej kontroly,
  • rýchla, presná a efektívna medicínska diagnostika,
  • neinvazívna lekárska a zubolekárska diagnostika,
  • výskum liekov a analýza zloženia ich poťahov a jadier,
  • bezkontaktné zobrazovanie integrity materiálu poťahov a kompozitných materiálov,
  • nedeštruktívna rýchla izolácia porúch v puzdrách integrovaných obvodov.

Vývoj detektora na báze GaAs otvára nové možnosti pre špeciálne skenery schopné v jednom skenovacom cykle detegovať viacero energetických úrovní, a tak znížiť účinok (dávky) na skenovaný objekt. Viacero energetických úrovní umožňuje multimodalitné skenovanie a presné prekrývanie, vďaka ktorému do nových diagnostických metód v oblasti priemyslu či medicíny preniká špeciálne počítačové zobrazovanie a presná analýza.

Na základe realizácie projektu dôjde k vytvoreniu nových publikácií a vedeckých článkov, modernizácii a sieťovaniu výskumnej infraštruktúry, podaniu žiadosti o registráciu nových patentov, úžitkových vzorov, reintegrácii slovenských vedcov pôsobiacich v zahraničí, zvýšeniu súkromných investícií do vedy a výskumu, vytvoria sa nové pracovné miesta v oblasti vedy a výskumu. Projekt zároveň umožní sieťovanie partnerov v rámci medzinárodných konzorcií a iniciatív.

Funkčný model detekčnej jednotky bude námetom na prípadnú opakovanú výrobu vo vybranom výrobnom zariadení alebo umožní vytvorenie spin-off spoločnosti s možnosťou prístupu na technickú infraštruktúru partnerov. Po úspešnej realizácii projektu predpokladáme zavedenie GaAs detektora v rámci širokej škály diagnostickej techniky v priemysle a v medicíne, čo prispeje k zefektívneniu diagnostiky v oblasti výroby, bezpečnosti a zdravia.

Celkovým cieľom projektu je naštartovať dlhodobú strategickú výskumnú spoluprácu novej generácie detekčných a zobrazovacích technológií a tým prispievať k zvyšovaniu bezpečnosti obyvateľstva a zefektívneniu diagnostických procesov v medicíne. Čiastkové ciele:

  • preskúmať možnosti využitia aplikácie nových materiálov v rtg detektoroch,
  • analyzovať možné uplatnenie GaAs detektorov v rámci rôznych odvetví,
  • zostrojiť prototyp cenovo dostupného GaAs detektora s vysokým rozlíšením,
  • zostrojiť prototyp RTG detektora s vysokým rozlíšením a vysokou citlivosťou pri nízkych dávkach žiarenia,
  • vyvinúť nové techniky rozpoznávania typov materiálov a objektov pomocou nových typov detektorov,
  • potvrdiť možnosti uplatnenia GaAs detektorov v diagnostických zobrazovacích metódach a zvýšenia ich účinnosti.