Monolitik CMOS piksel sensoru, zərrəciyin yaratdığı elektrik yükünü aşkarlayan silisium sahəsi ilə pikselin ön-uç oxuma elektronikasını eyni CMOS çip quruluşunda birləşdirən zərrəcik izləmə detektoru texnologiyasıdır. Bu tədqiqat MALTA layihəsindəki ikinci nəsil monolitik CMOS piksel sensorunun ön-uç hədd parametrlərini və elektron səs-küyünü araşdırmış, sensoru 10 kGy ümumi ionlaşdırıcı rentgen dozasına məruz qoyduqdan sonra eyni xarakterizasiyanı təkrarlamışdır. Əsas sual ITHR, IDB və ICASN adlı rəqəmsal-analoq çevirici (DAC) parametrlərinin həddi və səs-küyü necə dəyişdirdiyi və bu davranışın yüksək rentgen dozasından sonra nə dərəcədə qorunduğudur.

Tədqiq edilən ikinci nəsil sensor TowerJazz 180 nm CMOS texnologiyası ilə hazırlanmış, 224 × 512 piksel matrisinə və 20,2 × 10,1 mm² aktiv sahəyə malik quruluşdur. Mənbə əvvəlki nəsildə piksel addımını təxminən 36,4 × 36,4 µm² kimi verir və ikinci nəsildə eyni piksel ölçüsünün qorunduğunu bildirir. İkinci nəsildə shift register əsaslı idarəetmə, aşağı səs-küy və kompaktlıq məqsədilə açıq dövrəli ön-uç, gücləndirməni artıran multi-cascode tranzistorlar, 37 bit məlumat yolu, 4322 bit idarəetmə registri və Kintex-7 FPGA/KC705 əsaslı oxuma istifadə olunur.

Nümayəndəvi ITHR = 20, IDB = 80 və ICASN = 8 iş nöqtəsində piksel hədd paylanmasının orta qiyməti təxminən 367 e⁻, standart kənarlaşması isə təxminən 13 e⁻ olmuşdur. Piksel matrisi boyunca aydın lokal qüsur strukturları müşahidə edilməmiş və hədd paylanmasının böyük ölçüdə vahid olduğu bildirilmişdir. Eyni nümayəndəvi parametrdə səs-küy paylanması üçün mənbə təxminən 11,8 e⁻ orta qiymət və 2,83 e⁻ standart kənarlaşma göstərir.

DAC skanları hədd qiymətinin ən güclü şəkildə ITHR tərəfindən idarə olunduğunu göstərir. ITHR artdıqca hədd güclü və təxminən xətti şəkildə artır. ICASN hədd üçün əlavə incə tənzimləmə verir; IDB də həddə təsir edir, lakin araşdırılan iş sahəsində ITHR qədər dominant deyil. Şüalanmadan sonra hədd qiymətləri sistematik şəkildə daha aşağı səviyyələrə sürüşmüş; xüsusilə aşağı ITHR və aşağı hədd konfiqurasiyalarında dəyişiklik daha böyük olmuşdur. Bəzi skanlarda mütləq hədd dəyişməsinin böyüklüyü təxminən 80–90 e⁻ səviyyəsinə çatır. Buna baxmayaraq, hədd paylanmasının pikseldən pikselə vahidliyi böyük ölçüdə qorunmuşdur.

Səs-küyün davranışı həddən fərqlidir. ICASN, IDB və ITHR dəyişiklikləri səs-küyü yalnız məhdud dərəcədə dəyişmiş; şüalanmadan sonra da ümumi səs-küy artımı kiçik qalmışdır. Mənbə ICASN skanlarında təxminən 1–2 e⁻, IDB skanlarında isə təxminən 2–3 e⁻ səviyyəsində dəyişikliklərdən bəhs edir. Beləliklə, aşağı həddin təmin olunduğu, lakin səs-küyün qəbul edilə bilən səviyyədə qaldığı geniş iş sahəsi mövcuddur. Bununla belə, tədqiqat yalnız 10 kGy rentgen ümumi ionlaşdırıcı doza şəraitini sınaqdan keçirir; nəticələr bütün zərrəcik növlərinə, bütün HL-LHC xidmət müddətinə və ya hər bir radiasiya zədələnməsi mexanizminə avtomatik ümumiləşdirilə bilməz.

Monolitik CMOS Piksel Sensoru Nədir?

Monolitik CMOS piksel sensoru aşkarlama həcmi ilə analoq/rəqəmsal ön-uç elektronikasının eyni silisium quruluşunda inteqrasiya edildiyi piksel detektorudur. Bu inteqrə olunmuş yanaşma ayrıca sensor və oxuma çipinin bump-bonding ilə birləşdirildiyi quruluşlarla müqayisədə material büdcəsini azalda bilər; depleted monolithic active pixel sensor, yəni DMAPS yanaşmasında yükdaşıyıcılar tam və ya qismən tükənmiş silisium sahəsində drift yolu ilə toplanaraq sürətli siqnal və radiasiyaya davamlılıq hədəflənir.

Yüksək enerjili zərrəcik fizikasında bir zərrəciyin detektordan keçdiyi mövqeyi dəqiq müəyyən etmək üçün çoxlu sayda kiçik piksel istifadə olunur. Gələcək yüksək işıqlılıqlı sürətləndiricilərdə zərrəcik sürətləri və radiasiya səviyyələri artdığından piksel sensorundan eyni vaxtda bir neçə xüsusiyyət gözlənilir:

• kiçik piksel və yüksək mövqe ayırdetmə qabiliyyəti,
• yüksək hit sürətlərində işləyə bilmə,
• aşağı elektron səs-küyü,
• kifayət qədər aşağı və vahid aşkarlama həddi,
• radiasiyadan sonra tənzimlənə bilmə qabiliyyətini qoruma,
• aşağı material büdcəsi,
• sürətli və səmərəli oxuma.

Tədqiqatda araşdırılan ikinci nəsil sensor

Mənbədə göstərim qeydi: Birinci nəsil sensor üçün piksel addımı açıq şəkildə \(36.4\times36.4~\mu\mathrm m^2\) kimi yazılmışdır. İkinci nəslin eyni piksel ölçüsünü qoruduğu deyilərkən mətndə yalnız “36.4 µm²” ifadəsi işlədilmişdir. Bu ölçü yazılışı Verianla tərəfindən təxmin əsasında dəyişdirilməmişdir.

Ön-uç DAC parametrləri nə edir?

DAC, “digital-to-analog converter”, yəni rəqəmsal-analoq çeviricidir. Sensorun analoq ön-uç dövrəsindəki bəzi cərəyan və gərginlik iş nöqtələri rəqəmsal qiymətlər vasitəsilə tənzimlənə bilər. Tədqiqatda skan edilən əsas dəyişənlər ITHR, IDB və ICASN-dir; IBIAS isə 43 qiymətində sabit saxlanılmışdır.

Elektrik xarakterizasiya sistemi

Sensor CERN-də hazırlanmış xüsusi carrier board üzərinə qoşulmuşdur. Kart LVDD aşağı gərginlikli rəqəmsal qidalanma, DVDD rəqəmsal nüvə qidalanması, AVDD analoq qidalanma, PWELL və SUB kimi substrate bias-ları və DREF istinad gərginliyini təmin edir.

Carrier board FMC bağlantısı vasitəsilə FPGA qiymətləndirmə kartına qoşulur. FPGA sensorun konfiqurasiyasını, idarəetməsini və məlumat toplanmasını həyata keçirir. FPGA ilə kompüter arasında rabitə Ethernet vasitəsilə təmin olunur. Sistem beş müstəqil aşağı gərginlikli enerji mənbəyindən qidalandırılmış və gərginlik/cərəyan kalibrlənməsi yüksək dəqiqlikli rəqəmsal multimetr ilə izlənmişdir.

Məlumat toplama və idarəetmə əməliyyatları C++ və Python3 ilə hazırlanmış MALTA proqram təminatı çərçivəsindən istifadə edilərək həyata keçirilmişdir. Proqram çip register-lərinin tənzimlənməsini, DAC skanlarının aparılmasını və piksel cavablarının oxunmasını təmin edir.

Bütün elektrik ölçmələrində temperatur:

\[ 16\pm1~^\circ\mathrm C \]

səviyyəsində saxlanılmışdır. Məqsəd temperaturdan qaynaqlana biləcək elektron səs-küyü və threshold dispersion dəyişikliklərini azaltmaqla şüalanmadan əvvəlki və sonrakı ölçmələrin müqayisə edilə bilməsini təmin etməkdir.

S-Əyrisi Piksel Həddini və Səs-küyünü Necə Müəyyənləşdirir?

S-əyrisi pikselə getdikcə artan, məlum inyeksiya yükləri tətbiq edilərkən pikselin neçə dəfə cavab verdiyini göstərən keçid əyrisidir; aşağı yükdə cavab ehtimalı az olduğu halda yük hədd sahəsinə çatanda cavab sürətlə artır. Tədqiqat hər pikselin S-əyrisini fit etməklə effektiv threshold qiymətini çıxarır və əyrinin keçid enini equivalent noise charge, yəni ENC ilə ifadə olunan elektron səs-küyünün ölçüsü kimi istifadə edir.

İnyeksiya edilən yük

Tədqiqatda pikselə tətbiq olunan elektrik yükü:

\[ Q_{\mathrm{inj}} = C_{\mathrm{inj}} \left( V_H-V_L \right) \tag{1} \]

ilə hesablanır.

Burada:

• \(Q_{\mathrm{inj}}\): pikselə inyeksiya edilən elektrik yüküdür və vahidi coulomb-dur,
• \(C_{\mathrm{inj}}\): daxili inyeksiya tutumudur,
• \(V_H\): inyeksiya impulsunun yüksək gərginlik səviyyəsidir,
• \(V_L\): inyeksiya impulsunun aşağı gərginlik səviyyəsidir.

Mənbənin istifadə etdiyi inyeksiya tutumu:

\[ C_{\mathrm{inj}} = 257~\mathrm{aF} \]

qiymətindədir. “aF” attofarad deməkdir:

\[ 1~\mathrm{aF}=10^{-18}~\mathrm F. \]

Formulda gərginlik fərqi artdıqca inyeksiya edilən yük xətti şəkildə artır. Eyni şəkildə, sabit gərginlik fərqində inyeksiya tutumu artarsa tətbiq olunan yük də artır.

Elektron ekvivalenti necə tapılır?

Elektrik yükünün neçə elementar elektron yükünə uyğun gəldiyi:

\[ N_e = \frac{ C_{\mathrm{inj}} \left( V_H-V_L \right) }{ 1.602\times10^{-19} } \tag{2} \]

ilə hesablanır.

\[ 1.602\times10^{-19}\ \mathrm C \]

bir elektronun əsas yük böyüklüyüdür. Surətin vahidi coulomb olduğuna görə bölmədən sonra nəticə elektron ekvivalenti kimi ifadə edilir. Məqalədəki “367 e⁻ threshold” ifadəsi belə bir yük ekvivalentidir; bu, sensorda fiziki olaraq yalnız düz 367 elektron olduğu demək deyil, tetikləmə üçün lazım olan siqnal yükünün təxminən 367 elementar yükə uyğun gəldiyini göstərir.

Nümayəndəvi piksel iş nöqtəsi

Mənbə ilk ətraflı threshold araşdırmasını:

• ITHR = 20,
• IDB = 80,
• ICASN = 8

parametrlərində həyata keçirir.

Tam 224 × 512 matris 114.688 həndəsi piksel mövqeyi ehtiva edir. Mənbə şəkillərində 114.302 giriş bildirilir və ağ sahələrin threshold/noise qiymətləri göstərilməyən pikselləri təmsil etdiyi qeyd olunur. Mənbə bu ağ sahələri avtomatik olaraq “qüsurlu piksel” kimi təsnif etmədiyindən Verianla da belə şərh vermir.

Threshold vahidliyi nə deməkdir?

Threshold vahidliyi eyni DAC parametrində müxtəlif piksellərin tetiklənməsi üçün tələb olunan yüklərin bir-birinə nə qədər yaxın olduğunu bildirir. Bəzi piksellər çox aşağı, digərləri isə çox yüksək threshold-a malik olarsa eyni fiziki zərrəcik siqnalı matrisin müxtəlif sahələrində fərqli aşkarlama səmərəliliyi yarada bilər.

Nümayəndəvi parametrdə təxminən 367 e⁻ orta qiymət və 13 e⁻ standart kənarlaşma mənbə tərəfindən dar və vahid paylanma kimi qiymətləndirilir. İkiölçülü xəritədə böyük lokal threshold strukturlarının və ya aydın qüsurlu sahələrin müşahidə edilmədiyi bildirilmişdir.

Rentgen şüalanma sistemi

Şüalanma IIT Madras High Energy Physics Laboratory-dəki PRECISION XRad160 sistemi ilə aparılmışdır. Sistem volfram hədəfdən istifadə edir və 160 kV-a qədər boru gərginliyində geniş bremsstrahlung rentgen spektri yarada bilir.

10 kGy nə deməkdir?

Gray (Gy), ionlaşdırıcı radiasiyanın bir kiloqram maddəyə ötürdüyü bir joule enerjiyə uyğun gələn udulmuş doza vahididir:

\[ 1~\mathrm{Gy} = 1~\mathrm{J/kg}. \]

Beləliklə:

\[ 10~\mathrm{kGy} = 10\,000~\mathrm{Gy}. \]

Bu tərif istifadə olunan doza vahidinin izahlı açıqlamasıdır. Məqalə 10 kGy ümumi rentgen dozasını eksperiment şərti kimi istifadə edir.

Doza qeyri-müəyyənliyi

Mənbə verilən dozanın kalibrlənmiş doza sürəti və məruz qalma müddətindən müəyyən edildiyini; sistematik qeyri-müəyyənliklərin xüsusilə irradiator kalibrlənməsi və şüa sahəsində mümkün vahidlik dəyişikliklərindən qaynaqlandığını bildirir. Lakin bu sistematik qeyri-müəyyənliyin faiz və ya Gy ilə sayısal böyüklüyü təqdim edilmir. Buna görə Verianla doza qeyri-müəyyənliyi üçün mənbədə olmayan xəta payı yaratmır.

Şüalanmadan sonrakı tavlanma məsələsi

Şüalanmadan sonra xüsusi annealing prosesi aparılmamışdır. Sensorun radiasiyadan sonrakı elektrik xarakterizasiya kampaniyası təxminən iki ay davam etmiş və cihaz bu müddət ərzində 16 ± 1 °C nəzarət olunan şəraitdə saxlanılmışdır.

Mənbə açıq şəkildə bildirir ki, təqdim edilən nəticələr bu dövrdə baş vermiş ola biləcək təbii “room-temperature annealing” təsirlərini ehtiva edə bilər. Buna görə ölçülən “şüalanmadan sonrakı” vəziyyət şüalanmadan dərhal sonrakı sıfır-zaman zədələnmə vəziyyəti ilə tam eyni anlayış kimi şərh edilməməlidir.

10 kGy Rentgen Şüası Threshold və Noise Qiymətlərinə Necə Təsir Etdi?

10 kGy rentgen şüalanması sensor threshold-unu araşdırılan bütün DAC sahəsində sistematik olaraq daha aşağı qiymətlərə sürüşdürmüş, təsir xüsusilə aşağı ITHR və aşağı-threshold konfiqurasiyalarında böyümüşdür; bununla yanaşı piksel-matris threshold vahidliyi böyük ölçüdə qorunmuş və elektron noise yalnız kiçik artımlar göstərmişdir. Beləliklə, tədqiqatda radiasiya təsiri əsasən threshold iş nöqtəsinin sürüşməsi şəklində ortaya çıxmış, noise performansında oxşar böyüklükdə pisləşmə müşahidə edilməmişdir.

ICASN skanı

ICASN artdıqca həm şüalanmamış, həm də şüalanmış sensorda orta threshold azalır. Bu davranış ICASN-in amplifier baseline-ını dəyişdirən elektron rolu ilə uyğundur.

Bütün ICASN diapazonunda şüalanmış sensorun threshold-u şüalanmamış sensordan daha aşağı olmuşdur. Buna baxmayaraq, xəta çubuqları ilə göstərilən paylanma enləri oxşar qalmış və mənbə bunu threshold vahidliyinin şüalanma səbəbindən nəzərəçarpacaq dərəcədə pisləşmədiyi kimi şərh etmişdir.

ITHR–IDB skanı

ICASN = 4 sabit saxlanıldıqda ITHR və IDB birlikdə skan edilmişdir. ITHR artdıqca threshold aydın və monoton şəkildə yüksəlir, IDB istiqamətindəki dəyişiklik isə daha zəifdir.

Aşağı ITHR qiymətlərində radiasiya mənşəli threshold dəyişməsinin mütləq böyüklüyü təxminən:

\[ 80\text{–}90~e^- \]

səviyyəsinə qədər çatmışdır.

Buradakı 80–90 e⁻ qiyməti mütləq dəyişmənin böyüklüyüdür. Tədqiqatın ümumi müqayisəsi şüalanmadan sonra threshold-un daha aşağı qiymətlərə sürüşdüyünü göstərir; buna görə “80–90 e⁻ artım” ifadəsini birbaşa şüalanmış threshold-un işarəli artımı kimi şərh etmək düzgün deyil.

Eyni ITHR–IDB xəritəsində nisbi dəyişiklik parametr fəzasının böyük hissəsində təxminən %25-dən aşağı qalır. Ən böyük sapmalar aşağı ITHR sahəsindədir.

ITHR–ICASN skanı

IDB = 80 sabit saxlanıldıqda ITHR istiqamətində yenə aydın threshold qradienti görülmüş, ICASN təsiri isə daha orta səviyyədə qalmışdır. Şüalanmadan sonra sistematik threshold sürüşməsi araşdırılan bütün IDB şərtlərində müşahidə olunur.

Bu skanda nisbi dəyişmənin parametr fəzasının böyük hissəsində təxminən %20-dən aşağı qaldığı bildirilmişdir.

IDB–ICASN skanı

ITHR = 100 sabit olduqda IDB və ICASN təsiri ITHR-in öz təsirindən daha zəifdir. Mütləq threshold dəyişməsi yenə parametr kombinasiyasından asılı olaraq təxminən 80–90 e⁻ səviyyələrinə çata bilər.

Nisbi threshold dəyişməsinin bu sahələrin çoxunda təxminən %15-dən aşağı qaldığı, aşağı IDB tərəfində isə daha böyük sapmaların müşahidə oluna bildiyi bildirilmişdir.

ITHR niyə ən vacib tənzimləmə parametridir?

Mənbədə ITHR skanı təxminən 20–120 aralığını əhatə edir. ITHR artdıqca threshold yüzlərlə elektronluq geniş diapazonda güclü və demək olar ki, xətti şəkildə artır, noise isə çox daha az dəyişir. Buna görə ITHR yalnız kiçik düzəliş parametri deyil, sensorun qlobal threshold miqyasını müəyyən edən əsas idarəetmə kimi qiymətləndirilmişdir.

ICASN threshold-un daha incə şəkildə tənzimlənməsinə imkan verir. IDB isə diskriminator iş nöqtəsinə təsir edir və radiasiya mənşəli threshold sürüşməsinə töhfə verir; lakin araşdırılan nəticələrdə qlobal threshold üzərində dominant parametr ITHR-dir.

Noise niyə fərqli davranır?

Noise piksel S-əyrisinin keçid enindən alınan equivalent noise charge, ENC ilə qiymətləndirilmişdir. DAC parametrləri threshold-u yüzlərlə elektron boyunca dəyişdirə bildiyi halda noise əyriləri xeyli daha yastıdır.

Mənbə nəticələri:

• ICASN skanında noise dəyişməsi təxminən 1–2 e⁻ səviyyəsindədir.
• IDB skanında şüalanmadan sonrakı dəyişiklik təxminən 2–3 e⁻ səviyyəsində qalır.
• ITHR yüksəldikcə noise-da yalnız nəzərə alınmayacaq/kiçik artım müşahidə olunur.
• Şüalanmadan əvvəl və sonra noise paylanmalarının yayılması bir-birinə oxşardır.
• Piksel matrisi üzərində noise vahidliyi qorunur.

Bu tapıntı threshold-un radiasiya və DAC parametrlərinə həssas olmasına baxmayaraq elektron noise-un eyni dərəcədə dəyişmədiyini göstərir.

Threshold–noise tarazlığı niyə vacibdir?

Zərrəcik detektorunda threshold-u mümkün qədər aşağı tənzimləmək zəif fiziki siqnalları aşkarlamağa kömək edə bilər; lakin threshold elektron noise-a həddindən artıq yaxınlaşdırılarsa yanlış tetikləmələr və qeyri-sabit iş riski arta bilər. Buna görə yalnız “ən aşağı threshold” deyil, kifayət qədər aşağı threshold ilə sabit noise arasındakı tarazlıq vacibdir.

Mənbə threshold–noise korrelyasiyasından istifadə edərək ən uyğun iş sahəsinin orta ITHR qiymətlərində olduğunu bildirir. Həddən artıq aşağı-threshold konfiqurasiyaları texniki olaraq əlçatan olsa da rentgen şüalanmasına qarşı daha böyük nisbi dəyişiklik göstərir.

Radiasiya mənşəli threshold shift-in parametrlərdən asılılığı

Tədqiqat sonda hər DAC parametri üçün şüalanmış və şüalanmamış sensor threshold-larının fərqini hesablamış və qalan iki parametrin bütün konfiqurasiyaları üzrə orta qiymət almışdır.

Nəticə:

• ITHR artdıqca threshold shift ümumilikdə azalır.
• ICASN asılılığı monoton deyil; aralıq ICASN qiymətlərində maksimum müşahidə olunur.
• IDB də nəzərəçarpan dəyişiklik göstərir, lakin sadə monoton əlaqə yoxdur.
• Üç parametr arasında ən aydın sistematik radiasiya asılılığı ITHR-də müşahidə olunur.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Eksperiment axını

1. İkinci nəsil monolitik CMOS piksel sensoru xüsusi carrier board və FPGA əsaslı oxuma sisteminə qoşuldu.
2. Temperatur 16 ± 1 °C-də nəzarətdə saxlanıldı.
3. IBIAS = 43 sabit saxlanılarkən ITHR, IDB və ICASN skan edildi.
4. Hər piksel üçün müxtəlif inyeksiya yüklərində cavab alınaraq S-əyriləri yaradıldı.
5. S-əyrilərindən piksel threshold-u və equivalent noise charge çıxarıldı.
6. Şüalanmadan əvvəl threshold və noise paylanmaları yaradıldı.
7. Sensor XRad160 daxilində 30 cm mənbə–nümunə məsafəsi ilə təxminən 10 kGy rentgen şüasına məruz qoyuldu.
8. Şüalanmadan sonra xüsusi annealing prosesi tətbiq edilmədi.
9. Elektrik xarakterizasiyası eyni nəzarət olunan temperatur şəraitində təkrarlandı.
10. Post-irradiation xarakterizasiya təxminən iki aya yayıldı.
11. Şüalanmadan əvvəl və sonra threshold, noise və threshold–noise korrelyasiyaları müqayisə edildi.
12. Radiasiya mənşəli threshold shift ITHR, ICASN və IDB-yə görə ayrıca təhlil edildi.

Mənbədə araşdırılan DAC diapazonları

Mənbə qrafiklərində istifadə olunan skan nöqtələrindən görünən əsas diapazonlar:

Bu diapazonlar mənbə qrafiklərindəki skan nöqtələrindən köçürülmüşdür; Verianla aradakı ölçülməmiş nöqtələrdə interpolasiya etmir.

Əsas sayısal nəticələr

Mənbə qrafiklərinin birlikdə göstərdiyi nəticə

Threshold xəritələri ilə noise qrafiklərinin birlikdə qiymətləndirilməsi sensor davranışının iki fərqli ox üzrə ayrıldığını göstərir. Threshold elektron iş nöqtəsi və radiasiya tərəfindən güclü şəkildə yenidən tənzimlənə bildiyi halda noise nisbətən sabit qalır. Bu fərq şüalanmadan sonra sensorun tam eyni elektron iş nöqtəsində qalmadığını, lakin DAC retuning ilə istifadə oluna bilən iş sahələrinin qoruna bildiyini göstərir.

Başqa sözlə, tədqiqatın “robustness” nəticəsi “radiasiya sensorda heç bir dəyişiklik yaratmadı” demək deyil. Mənbə birbaşa və ölçülə bilən threshold dəyişməsi göstərir. Davamlılıq şərhi bu dəyişməyə baxmayaraq threshold vahidliyinin və noise performansının qorunması və sensorun tənzimlənə bilən iş sahəsinin qalması üzərində qurulur.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• İkinci nəsil monolitik CMOS piksel sensorunun threshold-u piksel matrisi boyunca yüksək vahidlik göstərir.
• Nümayəndəvi ITHR = 20, IDB = 80 və ICASN = 8 iş nöqtəsində threshold təxminən 367 ± 13 e⁻ miqyasındadır; burada ±13 e⁻ mənbədə verilən paylanmanın standart kənarlaşmasını ifadə edir.
• ITHR araşdırılan DAC parametrləri arasında threshold üzərində ən güclü təsirə malikdir.
• ICASN threshold-un incə tənzimlənməsinə töhfə verir.
• IDB threshold-a təsir edir, lakin qlobal asılılıq ITHR-dən daha zəifdir.
• 10 kGy rentgen şüalanması threshold-u sistematik şəkildə daha aşağı qiymətlərə sürüşdürmüşdür.
• Aşağı ITHR/aşağı-threshold iş nöqtələri şüalanma təsirinə daha həssasdır.
• Threshold shift bəzi konfiqurasiyalarda mütləq böyüklük kimi təxminən 80–90 e⁻-yə çatır.
• Threshold paylanmasının pikseldən pikselə vahidliyi şüalanmadan sonra böyük ölçüdə qorunmuşdur.
• Noise ITHR, IDB və ICASN parametrlərindən threshold qədər güclü asılı deyil.
• Şüalanmadan sonra noise yalnız məhdud artım göstərmişdir.
• Threshold–noise əlaqəsi şüalanmadan əvvəl və sonra istifadə oluna bilən DAC tənzimləmə sahəsinin mövcud olduğunu göstərir.
• Orta ITHR qiymətləri kifayət qədər aşağı threshold ilə daha yüksək radiasiya sabitliyi arasında əlverişli iş sahəsi təmin edir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

• Tədqiqat sensorun bütün radiasiya növlərinə qarşı dəyişməz olduğunu göstərmir.
• 10 kGy rentgen nəticəsi proton, neytron, pion və ya hadron mənşəli non-ionizing energy loss təsirlərinin birbaşa ölçümü deyil.
• Tədqiqat bütün HL-LHC iş müddətinin və ya gözlənilən ümumi radiasiya mühitinin tam laboratoriya surəti deyil.
• Şüalanmadan sonra threshold-un dəyişmədiyini demək olmaz; mənbə sistematik dəyişiklik ölçür.
• Radiasiyanın noise üzərində heç bir təsiri olmadığını demək olmaz; kiçik, lakin ölçülə bilən artımlar mövcuddur.
• Ən aşağı threshold-un avtomatik olaraq ən yaxşı iş nöqtəsi olduğunu demək olmaz; aşağı-threshold parametrləri radiasiyaya daha həssasdır.
• Bütün sensor qalınlıqlarının eyni radiasiya cavabı verdiyi nəticəsi çıxarıla bilməz; mənbə “müxtəlif qalınlıqlar”dan danışsa da bu məqalədə sayısal qalınlıq qiymətləri və ya ətraflı qalınlıq-əsaslı nəticələr təqdim edilmir.
• Post-irradiation qiymətləri şüalanmadan dərhal sonra alınmış tək-anlıq qiymətlər deyil; ölçmə kampaniyası təxminən iki ay davam etmişdir.
• Mənbə doza qeyri-müəyyənliyinin sayısal etibar intervalını vermədiyindən 10 kGy qiymətinə Verianla tərəfindən əlavə ± xəta qiyməti təyin edilə bilməz.

Metodoloji və hesabat məhdudiyyətləri

• Tək əsas radiasiya ssenarisi: Əsas müqayisə 10 kGy rentgen ümumi ionlaşdırıcı dozasına əsaslanır.
• Post-irradiation zaman pəncərəsi: Xarakterizasiya təxminən iki aya yayılmışdır və mənbə təbii tavlanma təsirlərinin nəticələrə daxil ola biləcəyini bildirir.
• Annealing nəzarəti: Ayrı nəzarət olunan annealing protokolu tətbiq edilməmişdir.
• Doza qeyri-müəyyənliyi: Irradiator kalibrlənməsi və beam uniformity sistematik qeyri-müəyyənlik mənbələri kimi göstərilmiş, lakin sayısal xəta büdcəsi verilməmişdir.
• Sensor qalınlığı: Metod hissəsi müxtəlif qalınlıqdakı sensorlardan bəhs edir, lakin sayısal qalınlıqlar və qalınlıq-əsaslı ayrıca nəticələr təqdim edilmir.
• Statistik nəticə çıxarma: Tədqiqat əsasən paylanmalar, orta qiymətlər, standart kənarlaşmalar, xəritələr və müqayisəli meyllərdən istifadə edir; əsas radiation nəticələri üçün ayrıca p-qiyməti, etibar intervalı və ya hipotez testi təqdim edilmir.
• S-əyrisi fit parametrləri: Nümunə qrafikdə \(p_0\), \(p_1\) və \(p_2\) fit parametrləri göstərilir, lakin mənbə bu üç simvolun hər birinin fiziki qarşılığını mətndə ayrıca müəyyən etmir. Verianla bu uyğunluğu təxmin etmir.

Tədqiqatın praktik mühəndislik mesajı

Detektor elektronikasında radiasiyaya davamlılığı yalnız “çip işləyirmi?” sualına endirmək olmaz. Threshold, noise, vahidlik və tənzimlənə bilmə birlikdə qiymətləndirilməlidir. Bu tədqiqatda 10 kGy rentgen şüalanmasından sonra threshold iş nöqtəsi sürüşməsinə baxmayaraq noise böyük ölçüdə sabit qalmış və DAC parametrləri vasitəsilə istifadə oluna bilən iş sahələri qorunmuşdur.

Bu nəticə xüsusilə ITHR-in radiasiyadan sonra yenidən tənzimləmə üçün vacib idarəetmə qolu olduğunu göstərir. Bununla belə, real sürətləndirici eksperimentində tətbiq ediləcək optimal DAC parametrləri həmin detektorun real radiasiya tarixi, temperaturu, sensor qalınlığı, bias şərtləri və eksperimental səmərəlilik tələbləri altında ayrıca yoxlanmalıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Özgün başlıq: Performance of Monolithic CMOS Pixel Sensors Under X-Rays

Müəlliflər: Mohammad Mobassir Ameen, Ganapati Dash, Anushree Vijay, Theertha Chembakan, Prafulla Kumar Behera.

Müəllif sırası: Mohammad Mobassir Ameen → Ganapati Dash → Anushree Vijay → Theertha Chembakan → Prafulla Kumar Behera.

Məsul müəlliflər: Mohammad Mobassir Ameen və Ganapati Dash.

Bərabər töhfə: Mənbədə bərabər birinci müəlliflik və ya bərabər töhfə bəyanı aşkar edilməmişdir.

Qurum: Department of Physics, Indian Institute of Technology Madras, Chennai 600036, India.

Jurnal: Physics.

Bölmə: Detectors and Instruments.

Nəşriyyatçı: MDPI.

Cild / nömrə / məqalə nömrəsi: 8(3), 62.

DOI: 10.3390/physics8030062.

Göndərilmə tarixi: 20 May 2026.

Reviziya tarixi: 9 İyul 2026.

Qəbul tarixi: 23 İyul 2026.

Nəşr tarixi: 21 Avqust 2026.

Mənbə növü: Rəyli eksperimental tədqiqat məqaləsi; yüksək enerji fizikası detektor elektronikası və radiasiyaya davamlılığın xarakterizasiyası.

Lisenziya: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Əsas sensor texnologiyası: İkinci nəsil MALTA ailəsi monolitik CMOS piksel sensoru; modifikasiya edilmiş TowerJazz 180 nm CMOS prosesi.

Əsas eksperimental metod: DAC əsaslı threshold/noise skanları, piksel S-əyrisi təhlili, charge injection kalibrlənməsi və 10 kGy XRad160 rentgen şüalanmasından əvvəl/sonra müqayisə.

Ölçmə proqram təminatı: MALTA proqram təminatı çərçivəsi; C++ və Python3.

Oxuma avadanlığı: FPGA əsaslı qiymətləndirmə sistemi; Kintex-7 FPGA, KC705 kartı və FMC bağlantısı.

Şüalanma cihazı: PRECISION XRad160, volfram hədəf.

Ümumi doza: 10 kGy rentgen şüası.

Doza sürəti: Təxminən 12,7 Gy/dəqiqə.

Mənbə–nümunə məsafəsi: 30 cm.

Ölçmə temperaturu: 16 ± 1 °C.

Post-irradiation annealing: Xüsusi nəzarət olunan annealing prosesi aparılmamışdır. Radiasiyadan sonrakı xarakterizasiya təxminən iki ay davam etmiş və mənbə təbii tavlanma təsirlərinin nəticələrə daxil ola biləcəyini bildirmişdir.

Maliyyələşdirmə: Science and Engineering Research Board (SERB), India, PHY1819374SERBPRAF; Ministry of Human Resource Development (MHRD), India, SB22231258PHETWO008356.

Məlumatların əlçatanlığı: Tədqiqatda yaradılmış/təhlil edilmiş məlumat dəstləri əsaslandırılmış sorğu əsasında məsul müəlliflərdən əldə edilə bilər. Məlumat həcmi terabayt miqyasında olduğuna görə məlumatlar açıq repozitoriyada arxivləşdirilməmişdir.

Təşəkkür: Müəlliflər CERN və CERN Experimental Physics Department-a dəstək və istiqamətləndirməyə görə təşəkkür edirlər.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər maraqların toqquşmasının olmadığını bəyan etmişlər. Maliyyələşdirən qurumların tədqiqat dizaynı, məlumat toplama/təhlil/şərh, məqalənin yazılması və ya nəşr qərarında rolu olmadığı bildirilmişdir.

DURC bəyanı: Mənbə tədqiqatı yüksək enerji fizikasında zərrəcik detektoru hazırlanmasına yönəlmiş araşdırma kimi təsnif edir; dual-use potensialını qəbul etdiyini və müvafiq etik, milli və beynəlxalq qaydalara əməl olunduğunu bildirir.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma M.M.A., G.D. və P.K.B.; metod M.M.A. və G.D.; yoxlama və formal təhlil M.M.A. və G.D.; tədqiqat M.M.A., G.D., A.V. və T.C.; eksperiment qurğusu G.D. və A.V.; məlumat toplama M.M.A., G.D., A.V. və T.C.; resurslar P.K.B.; məlumat kurasiyası M.M.A. və G.D.; ilkin qaralama M.M.A. və G.D.; nəzərdən keçirmə/redaktə M.M.A., G.D. və P.K.B.; nəzarət, layihə idarəetməsi və maliyyələşdirmənin əldə edilməsi P.K.B. olaraq bildirilmişdir.

Mənbədaxili göstərim qeydi: Birinci nəsil piksel addımı təxminən 36,4 × 36,4 µm² kimi yazıldığı halda ikinci nəslin eyni piksel ölçüsünü qoruduğunu bildirən cümlədə “36,4 µm²” göstərimi istifadə olunmuşdur. Verianla ikinci qiyməti səssizcə yenidən yazmamışdır.

Çatışmayan təkrar istehsal oluna bilmə məlumatı: Mənbə DAC skanlarının müxtəlif qalınlıqdakı sensorlarda aparıldığını bildirir, lakin bu tədqiqatda istifadə olunan qalınlıq qiymətlərini ətraflı şəkildə təqdim etmir.

Doza qeyri-müəyyənliyi sərhədi: Kalibrlənmə və beam-uniformity təsirləri sistematik qeyri-müəyyənlik mənbəyi kimi bildirilsə də sayısal ümumi doza qeyri-müəyyənliyi verilməmişdir.

Əsas şərh sərhədi: Məqalə 10 kGy rentgen ümumi ionlaşdırıcı dozası altında threshold və noise davranışını xarakterizə edir. Bu nəticə təkbaşına bütün sürətləndirici radiasiya sahələri, non-ionizing zədələnmə mexanizmləri və ya sensorun bütün xidmət müddəti üçün tam radiasiyaya davamlılıq sübutu deyil.