КМОП с разрешением 64 тыс. пикселей

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11799 (2023) Цитировать эту статью

390 Доступов

Подробности о метриках

Модуль DEPFET с разрешением 64 тыс. пикселей является ключевым чувствительным компонентом датчика DEPFET со сжатием сигнала (DSSC), гибридного двухмерного детектора большой площади для захвата и измерения мягкого рентгеновского излучения в европейском XFEL. Последняя 1-мегапиксельная камера должна обнаруживать фотоны с энергией от \(250\,\text{эВ}\) до \(6\,\text{кэВ}\) и обеспечивать пиковую частоту кадров \(4,5). \,\text{МГц}\), чтобы справиться с уникальной пучковой структурой европейского XFEL. В этой работе обобщены функциональные возможности и свойства первых модулей, собранных из полноформатных матриц CMOS-DEPFET, имеющих \(512\,\times \,128\) пикселей шестиугольной формы с длиной стороны 136 мкм. В пиксельных датчиках используется технология DEPFET, обеспечивающая чрезвычайно низкую входную емкость для превосходного энергетического разрешения и в то же время внутреннюю возможность сжатия сигнала без переключения усиления. Каждый пиксель ASIC считывания включает в себя схему подавления тока смещения DEPFET, фильтр трапециевидной формы, 9-битный АЦП и цифровую память на 800 слов. Обработка, калибровка и окончательная характеристика были выполнены на лабораторном испытательном стенде DESY. Все характеристики детектора оцениваются в \(18\,^{\circ }\text{C}\). Выдающийся эквивалентный шумовой заряд \(9,8\)e−rms достигается при частоте кадров 1,1 МГц и усилении 26,8 аналого-цифровых единиц на кэВ (\(\,\text {ADU}/\text{кэВ). }\)). При \(4,5\,\text{МГц}\) и \(3,1\,\,\text {ADU}/\text{кэВ}\), шум \(25,5\) e-rms и динамический диапазон из \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\). Самый высокий динамический диапазон \(1,345\,\text{M}\text {e}^{-}\) достигается при \(2,25\,\text{МГц}\) и \(1,6\,\text { ADU}/\text{кэВ}\). Эти значения могут соответствовать спецификации проекта DSSC.

Европейский XFEL (EuXFEL) — это источник рентгеновского лазера на свободных электронах, в котором каждые \(100) повторяются до 2700 чрезвычайно ярких рентгеновских импульсов одной сгустка с частотой \(4,5\,\text{МГц}\). \,\текст{мс}\)1. Его уникальная схема пучка создает большие проблемы при разработке детектора изображения. Три типа 1-мегапиксельных детекторов были специально разработаны с учетом различных концепций, чтобы соответствовать требуемому диапазону энергии рентгеновского излучения, пиковой частоте кадров и динамическому диапазону.

Большой пиксельный детектор (LPD)2 имеет квадратные пиксели размером \({500}\)-мкм и предназначен для работы в диапазоне энергий от \(5\) до \(20\,\text{кэВ}. \). Его пиксельная электроника включает в себя зарядочувствительный усилитель (CSA) с тремя каскадами усиления и аналоговой памятью с 512 ячейками на каждый каскад, работающими параллельно. Оцифровка выполняется во время перерывов в поездах благодаря встроенному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) уровня столбца. Удобный путь усиления выбирается вне кристалла для достижения максимального динамического диапазона. Детектор является частью научного инструмента «Фемтосекундные рентгеновские эксперименты» (FXE) в EuXFEL3.

Интегрирующий пиксельный детектор с адаптивным усилением (AGIPD)4 нацелен на тот же диапазон энергий, что и LPD, но обеспечивает пространственное разрешение \(200\) мкм. Он оснащен CSA с тремя коэффициентами усиления, динамически выбираемыми в зависимости от выходного сигнала CSA. Стадия коррелированной двойной выборки (CDS) удаляет шум сброса, а его выходные данные сохраняются в аналоговой памяти на 352 ячейки. Его аналоговые данные впоследствии оцифровываются внешними АЦП. AGIPD является частью инструментов одиночных частиц, кластеров, биомолекул и последовательной фемтосекундной кристаллографии (SPB/SFX)5 и инструментов визуализации и динамики материалов (MID)6.

Датчик на обедненном полевом транзисторе (DEPFET) со сжатием сигнала (DSSC) предназначен для диапазона мягкого рентгеновского излучения между \(250\,\text{eV}\) и \(6\,\text{keV}\). Первая камера основана на пассивных миниатюрных кремниевых дрейфовых детекторных ячейках (мини-SDD) шестиугольной формы с длиной стороны \(136\) мкм7, что соответствует равновеликому диаметру \(247\) мкм. Цепочка считывания каждого пикселя включает CSA, изменяющийся во времени фильтр с трапециевидной взвешивающей функцией, 9-битный АЦП с возможностью подстройки усиления и смещения и SRAM с емкостью хранения 800 выборок. При этом детектор DSSC не только предлагает самую большую емкость памяти среди трех версий детектора, но также уникален своим попиксельным дигитайзером. Еще одна уникальная особенность касается возможности отключения питания неиспользуемых аналоговых блоков и блоков смешанных сигналов во время считывания памяти в промежутках между поездами. Таким образом, рассеиваемая мощность в вакууме резко снижается до \(149\,\text{W}\) в отличие от AGIPD (\(550\,\text{W}\)). Потребляемая мощность 1-мегапиксельного детектора, включающего вневакуумную электронику, составляет \(263\,\text{Вт}\) по сравнению с АГИПД (\(1,2\,\text{кВт}\)4) и ЛПД ( \(12\,\text{кВт}\)8). Усиление цепи обработки сигнала можно регулировать в CSA, в фильтре и в АЦП, так что текущая версия имидж-сканера DSSC с пассивным датчиком mini-SDD покрывает весь энергетический диапазон с детализацией усиления менее одного процента7. Тепловизор достиг эквивалентного шумового заряда (ENC) примерно \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\) при пиковой частоте кадров \(4,5\,\text{МГц}\ ), где линейный динамический диапазон ограничен максимальными 9 битами. Камера введена в эксплуатацию и используется на приборах мягкого рентгеновского излучения «Спектроскопия и когерентное рассеяние» (SCS)9 и «Малые квантовые системы» (SQS) в EuXFEL.