Монолиттик CMOS пикселдик сенсор — бөлүкчө жараткан электр зарядын аныктаган кремний аймагын пикселдин алдыңкы бөлүгүндөгү окуу электроникасы менен бир эле CMOS чип түзүмүндө бириктирген бөлүкчөлөрдү көзөмөлдөөчү детектор технологиясы. Бул изилдөө MALTA долбоорундагы экинчи муундагы монолиттик CMOS пикселдик сенсордун алдыңкы бөлүк threshold жөндөөлөрүн жана электрондук ызы-чуусун изилдеп, сенсорду 10 kGy жалпы иондоштуруучу рентген дозасына дуушар кылгандан кийин ошол эле мүнөздөмөнү кайра жүргүзгөн. Негизги суроо — ITHR, IDB жана ICASN деп аталган санарип-аналогдук өзгөрткүч (DAC) жөндөөлөрү threshold менен ызы-чууну кантип өзгөртөрү жана бул жүрүм-турум жогорку рентген дозасынан кийин канчалык деңгээлде сакталары.

Изилденген экинчи муундагы сенсор TowerJazz 180 nm CMOS технологиясы менен өндүрүлгөн, 224 × 512 пикселдик матрицага жана 20,2 × 10,1 mm² активдүү аянтка ээ түзүлүш. Булак мурунку муунда пиксел кадамын болжол менен 36,4 × 36,4 µm² деп көрсөтүп, экинчи муунда ошол эле пиксел өлчөмү сакталганын билдирет. Экинчи муунда shift register негизиндеги башкаруу, аз ызы-чуу жана компакттуулук үчүн ачык контурлуу алдыңкы бөлүк, күчөтүүнү жогорулатуучу multi-cascode транзисторлор, 37 bit маалымат шинасы, 4322 bit башкаруу регистри жана Kintex-7 FPGA/KC705 негизиндеги окуу колдонулат.

Өкүлдүү ITHR = 20, IDB = 80 жана ICASN = 8 иш чекитинде пиксел threshold бөлүштүрүүсүнүн орточо мааниси болжол менен 367 e⁻, стандарттык четтөөсү болжол менен 13 e⁻ болгон. Пиксел матрицасы боюнча айкын локалдык кемчилик түзүмдөрү байкалган эмес жана threshold бөлүштүрүүсү негизинен бир тектүү экени маалымдалган. Ошол эле өкүлдүү жөндөөдө ызы-чуу бөлүштүрүүсү үчүн булак болжол менен 11,8 e⁻ орточо маанини жана 2,83 e⁻ стандарттык четтөөнү көрсөтөт.

DAC скандары threshold мааниси эң күчтүү түрдө ITHR тарабынан башкарыларын көрсөтөт. ITHR жогорулаган сайын threshold күчтүү жана болжол менен сызыктуу өсөт. ICASN threshold үчүн кошумча майда жөндөөнү камсыз кылат; IDB да thresholdко таасир этет, бирок изилденген иш аймагында ITHR сыяктуу үстөм эмес. Нурлантуудан кийин threshold маанилери системалуу түрдө төмөнкү деңгээлдерге жылган; өзгөчө төмөн ITHR жана төмөн-threshold конфигурацияларында өзгөрүү чоңураак болгон. Айрым скандарда абсолюттук threshold өзгөрүүсүнүн чоңдугу болжол менен 80–90 e⁻ деңгээлине жетет. Ошого карабастан, threshold бөлүштүрүүсүнүн пикселден пикселге бир тектүүлүгү негизинен сакталган.

Ызы-чуунун жүрүм-туруму thresholdдон айырмаланат. ICASN, IDB жана ITHR өзгөрүүлөрү ызы-чууну чектелүү гана деңгээлде өзгөрткөн; нурлантуудан кийин да жалпы ызы-чуунун өсүшү аз бойдон калган. Булак ICASN скандарында болжол менен 1–2 e⁻, IDB скандарында болжол менен 2–3 e⁻ деңгээлиндеги өзгөрүүлөрдү белгилейт. Ошентип, төмөн threshold камсыздалган, бирок ызы-чуу кабыл алына турган деңгээлде калган кең иш аймагы бар. Бирок изилдөө 10 kGy рентгендин жалпы иондоштуруучу дозасынын шартын гана сынайт; натыйжаларды бардык бөлүкчө түрлөрүнө, бүт HL-LHC кызмат мөөнөтүнө же ар бир радиациялык зыян механизминине автоматтык түрдө жалпылоого болбойт.

Монолиттик CMOS Пикселдик Сенсор Деген Эмне?

Монолиттик CMOS пикселдик сенсор — аныктоо көлөмү менен аналогдук/санариптик алдыңкы бөлүк электроникасы бир эле кремний түзүмүндө интеграцияланган пикселдик детектор. Бул интеграцияланган ыкма өзүнчө сенсор менен окуу чипи bump-bonding аркылуу бириктирилген түзүлүштөргө салыштырмалуу материалдык бюджетти азайтышы мүмкүн; depleted monolithic active pixel sensor, башкача айтканда DMAPS ыкмасында заряд ташуучулар толук же жарым-жартылай түгөнгөн кремний аймагында дрейф аркылуу чогултулуп, тез сигналга жана радиацияга туруктуулукка жетүү көздөлөт.

Жогорку энергиялуу бөлүкчөлөр физикасында бөлүкчөнүн детектордон өткөн ордун так аныктоо үчүн көп сандагы майда пикселдер колдонулат. Келечектеги жогорку жарыктыктагы тездеткичтерде бөлүкчөлөрдүн агымы жана радиация деңгээли өсө тургандыктан, пикселдик сенсордон бир учурда бир нече касиет күтүлөт:

• майда пиксел жана жогорку мейкиндиктик ажыратуу жөндөмү,
• жогорку hit ылдамдыктарында иштей алуу,
• аз электрондук ызы-чуу,
• жетиштүү төмөн жана бир тектүү аныктоо thresholdу,
• radиациядан кийин жөндөлүү жөндөмүн сактоо,
• төмөн материалдык бюджет,
• тез жана натыйжалуу окуу.

Изилдөөдө каралган экинчи муундагы сенсор

Булактагы көрсөтүү боюнча эскертүү: Биринчи муундагы сенсор үчүн пиксел кадамы так \(36.4\times36.4~\mu\mathrm m^2\) түрүндө жазылган. Экинчи муун ошол эле пиксел өлчөмүн сактаганы айтылганда текстте “36.4 µm²” гана колдонулган. Бул өлчөм жазылышы Verianla тарабынан божомол менен өзгөртүлгөн эмес.

Алдыңкы бөлүк DAC параметрлери эмне кылат?

DAC — “digital-to-analog converter”, башкача айтканда санарип-аналогдук өзгөрткүч. Сенсордун аналогдук алдыңкы бөлүк чынжырындагы айрым ток жана чыңалуу иш чекиттерин санарип маанилер аркылуу жөндөөгө болот. Изилдөөдө скандалган негизги өзгөрмөлөр ITHR, IDB жана ICASN; IBIAS болсо 43 маанисинде туруктуу кармалган.

Электрдик мүнөздөмөлөө системасы

Сенсор CERNде иштелип чыккан атайын carrier board үстүнө туташтырылган. Плата LVDD төмөн чыңалуудагы санариптик камсыздоо, DVDD санариптик өзөк камсыздоосу, AVDD аналогдук камсыздоо, PWELL жана SUB сыяктуу substrate bias-тар жана DREF эталондук чыңалуусун камсыз кылат.

Carrier board FMC туташуусу аркылуу FPGA баалоо платасына туташат. FPGA сенсор конфигурациясын, башкарууну жана маалымат чогултууну аткарат. FPGA менен компьютердин ортосундагы байланыш Ethernet аркылуу камсыздалат. Система беш көз карандысыз төмөн чыңалуудагы кубат булагынан азыктандырылган жана чыңалуу/ток калибрлөөсү жогорку тактыктагы санариптик мультиметр менен көзөмөлдөнгөн.

Маалымат чогултуу жана башкаруу операциялары C++ жана Python3 менен иштелип чыккан MALTA программалык алкагын колдонуу менен жүргүзүлгөн. Программа чип register-лерин жөндөөнү, DAC скандарын жүргүзүүнү жана пиксел жоопторун окууну камсыз кылат.

Бардык электрдик өлчөөлөрдө температура:

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

деңгээлинде кармалган. Мунун максаты температурадан келип чыгышы мүмкүн болгон электрондук ызы-чуу жана threshold dispersion өзгөрүүлөрүн азайтып, нурлантуудан мурунку жана кийинки өлчөөлөрдү салыштырууга мүмкүн кылуу.

S-Ийри Сызыгы Пиксел Thresholdун жана Ызы-Чууну Кантип Аныктайт?

S-ийри сызыгы — пикселге бара-бара көбөйтүлгөн белгилүү инъекциялык заряддар берилгенде пиксел канча жолу жооп бергенин көрсөткөн өтүү ийри сызыгы; аз зарядда жооп берүү ыктымалдыгы төмөн, заряд threshold аймагына жеткенде жооп тез өсөт. Изилдөө ар бир пикселдин S-ийри сызыгын fit кылып эффективдүү threshold маанисин чыгарат жана ийри сызыктын өтүү кеңдигин equivalent noise charge, башкача айтканда ENC түрүндөгү электрондук ызы-чуунун өлчөмү катары колдонот.

Инъекцияланган заряд

Изилдөөдө пикселге берилген электр заряды:

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

аркылуу эсептелет.

Бул жерде:

• \(Q_{\mathrm{inj}}\): пикселге инъекцияланган электр заряды, бирдиги coulomb,
• \(C_{\mathrm{inj}}\): ички инъекциялык сыйымдуулук,
• \(V_H\): инъекция импульсунун жогорку чыңалуу деңгээли,
• \(V_L\): инъекция импульсунун төмөн чыңалуу деңгээли.

Булак колдонгон инъекциялык сыйымдуулук:

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

маанисине ээ. “aF” attofarad дегенди билдирет:

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

Формулада чыңалуу айырмасы чоңойгон сайын инъекцияланган заряд сызыктуу түрдө өсөт. Ошол сыяктуу, чыңалуу айырмасы туруктуу болгондо инъекциялык сыйымдуулук чоңойсо, берилген заряд да өсөт.

Электрон эквиваленти кантип табылат?

Электр заряды канча элементардык электрон зарядына туура келери:

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

аркылуу эсептелет.

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

бир электрондун негизги заряд чоңдугу. Алымдын бирдиги coulomb болгондуктан, бөлгөндөн кийин натыйжа электрон эквиваленти катары берилет. Макаладагы “367 e⁻ threshold” деген сөз айкашы ушундай заряд эквивалентин билдирет; бул сенсордо физикалык жактан так 367 электрон гана бар деген эмес, триггерлөө үчүн зарыл сигнал заряды болжол менен 367 элементардык зарядга туура келерин көрсөтөт.

Өкүлдүү пиксел иш чекити

Булак биринчи деталдуу threshold текшерүүсүн:

• ITHR = 20,
• IDB = 80,
• ICASN = 8

жөндөөлөрүндө жүргүзөт.

Толук 224 × 512 матрицада 114.688 геометриялык пиксел орду бар. Булак сүрөттөрүндө 114.302 жазуу көрсөтүлүп, ак аймактар threshold/noise маанилери көрсөтүлбөгөн пикселдерди билдирери айтылат. Булак бул ак аймактарды автоматтык түрдө “бузук пиксел” деп классификациялабагандыктан, Verianla да мындай чечмелөө бербейт.

Threshold бир тектүүлүгү эмнени билдирет?

Threshold бир тектүүлүгү бир эле DAC жөндөөсүндө ар башка пикселдерди триггерлөө үчүн керек болгон заряддардын бири-бирине канчалык жакын экенин түшүндүрөт. Эгер айрым пикселдерде өтө төмөн, айрымдарында өтө жогорку threshold болсо, бир эле физикалык бөлүкчө сигналы матрицанын ар башка аймактарында ар башка аныктоо натыйжалуулугун жаратышы мүмкүн.

Өкүлдүү жөндөөдө болжол менен 367 e⁻ орточо маани жана 13 e⁻ стандарттык четтөө булак тарабынан тар жана бир тектүү бөлүштүрүү катары бааланган. Эки өлчөмдүү картада чоң локалдык threshold түзүмдөрү же айкын кемчиликтүү аймактар байкалбаганы билдирилген.

Рентген нурлантуу системасы

Нурлантуу IIT Madras High Energy Physics Laboratoryдеги PRECISION XRad160 системасы менен жүргүзүлгөн. Система вольфрам бута колдонот жана 160 kV чейин түтүк чыңалуусунда кең bremsstrahlung рентген спектрин түзө алат.

10 kGy деген эмне?

Gray (Gy) — иондоштуруучу радиация бир килограмм затка өткөргөн бир joule энергияга туура келген жутулган доза бирдиги:

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

Демек:

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

Бул аныктама колдонулган доза бирдигинин түшүндүрмөсү. Макала 10 kGy жалпы рентген дозасын эксперимент шарты катары колдонот.

Дозанын белгисиздиги

Булак берилген доза калибрленген доза ылдамдыгы жана таасир этүү узактыгы аркылуу аныкталганын; системалуу белгисиздиктер өзгөчө irradiator калибрлөөсүнөн жана нур талаасындагы мүмкүн болгон бир тектүүлүк өзгөрүүлөрүнөн келип чыгарын билдирет. Бирок бул системалуу белгисиздиктин пайыз же Gy менен сандык чоңдугу берилбейт. Ошондуктан Verianla доза белгисиздиги үчүн булакта жок ката чегин чыгарбайт.

Нурлантуудан кийинки annealing маселеси

Нурлантуудан кийин атайын annealing процесси жүргүзүлгөн эмес. Сенсордун радиациядан кийинки электрдик мүнөздөмөлөө кампаниясы болжол менен эки айга созулуп, түзмөк бул аралыкта 16 ± 1 °C көзөмөлдөнгөн шартта сакталган.

Булак жарыяланган натыйжалар бул мезгилде болушу мүмкүн болгон табигый “room-temperature annealing” таасирлерин камтышы мүмкүн экенин ачык айтат. Ошондуктан өлчөнгөн “нурлантуудан кийинки” абалды нурлантуудан дароо кийинки нөл-убакыт зыян абалы менен таптакыр бирдей түшүнүк катары чечмелөөгө болбойт.

10 kGy Рентген Нуру Threshold жана Noise Маанилерине Кантип Таасир Этти?

10 kGy рентген нурлануусу сенсор thresholdун изилденген бардык DAC аймагында системалуу түрдө төмөнүрөөк маанилерге жылдырган, таасир өзгөчө төмөн ITHR жана төмөн-threshold конфигурацияларында күчөгөн; муну менен катар пиксел-матрица threshold бир тектүүлүгү негизинен сакталган жана электрондук noise аз гана өскөн. Демек, изилдөөдө радиациянын негизги таасири threshold иш чекитинин жылышы түрүндө көрүнгөн, noise көрсөткүчүндө ушуга окшош чоңдуктагы начарлоо болгон эмес.

ICASN сканы

ICASN өскөн сайын нурлантылбаган да, нурлантылган да сенсордо орточо threshold төмөндөйт. Бул жүрүм-турум ICASNдин amplifier baselineды өзгөрткөн электрондук ролуна шайкеш келет.

Бүт ICASN диапазонунда нурлантылган сенсордун thresholdу нурлантылбаган сенсордукунан төмөн болгон. Ошого карабастан, ката тилкелери менен көрсөтүлгөн бөлүштүрүү кеңдиктери окшош бойдон калып, булак муну нурлантуудан улам threshold бир тектүүлүгү олуттуу бузулган эмес деп чечмелеген.

ITHR–IDB сканы

ICASN = 4 туруктуу кармалганда ITHR менен IDB бирге скандалган. ITHR өскөн сайын threshold так жана монотондуу жогорулайт, ал эми IDB багытындагы өзгөрүү алсызыраак.

Төмөн ITHR маанилеринде радиациядан келип чыккан threshold өзгөрүүсүнүн абсолюттук чоңдугу болжол менен:

\[ 80\text{–}90~e^- \]

деңгээлине чейин жеткен.

Бул жердеги 80–90 e⁻ мааниси абсолюттук өзгөрүүнүн чоңдугу. Изилдөөнүн жалпы салыштыруусу нурлантуудан кийин threshold төмөнүрөөк маанилерге жылганын көрсөтөт; ошондуктан “80–90 e⁻ өсүү” дегенди нурлантылган thresholdдун белгиси оң өсүшү катары түз чечмелөө туура эмес.

Ошол эле ITHR–IDB картасында салыштырмалуу өзгөрүү параметр мейкиндигинин көп бөлүгүндө болжол менен %25тен төмөн. Эң чоң четтөөлөр төмөн ITHR аймагында.

ITHR–ICASN сканы

IDB = 80 туруктуу кармалганда ITHR багытында кайрадан айкын threshold градиенти көрүнгөн, ICASN таасири болсо орточо деңгээлде калган. Нурлантуудан кийин системалуу threshold жылышы изилденген бардык IDB шарттарында байкалат.

Бул сканда салыштырмалуу өзгөрүү параметр мейкиндигинин көп бөлүгүндө болжол менен %20дан төмөн калганы маалымдалган.

IDB–ICASN сканы

ITHR = 100 туруктуу болгондо IDB жана ICASN таасири ITHRдин өз таасирине караганда алсызыраак. Абсолюттук threshold өзгөрүүсү жөндөөлөрдүн айкалышына жараша кайрадан болжол менен 80–90 e⁻ деңгээлине жетиши мүмкүн.

Салыштырмалуу threshold өзгөрүүсү бул аймактардын көпчүлүгүндө болжол менен %15тен төмөн калганы, ал эми төмөн IDB тарабында чоңураак четтөөлөр болушу мүмкүн экени билдирилген.

Эмне үчүн ITHR эң маанилүү жөндөө параметри?

Булакта ITHR сканы болжол менен 20–120 аралыгын камтыйт. ITHR өскөн сайын threshold жүздөгөн электронду камтыган кең диапазондо күчтүү жана дээрлик сызыктуу өсөт, ал эми noise кыйла аз өзгөрөт. Ошондуктан ITHR жөн гана майда оңдоо параметри эмес, сенсордун глобалдык threshold масштабын аныктаган негизги башкаруу катары бааланган.

ICASN thresholdду дагы так жөндөөгө мүмкүндүк берет. IDB болсо дискриминатордун иш чекитине таасир берип, радиациядан келип чыккан threshold жылышына салым кошот; бирок изилденген натыйжаларда глобалдык threshold үстүндөгү үстөм параметр ITHR.

Эмне үчүн noise башкача жүрөт?

Noise пикселдин S-ийри сызыгынын өтүү кеңдигинен алынган equivalent noise charge, ENC менен бааланган. DAC параметрлери thresholdду жүздөгөн электрон аралыкта өзгөртө алса, noise ийри сызыктары кыйла жалпак.

Булак натыйжалары:

• ICASN сканында noise өзгөрүүсү болжол менен 1–2 e⁻ деңгээлинде.
• IDB сканында нурлантуудан кийинки өзгөрүү болжол менен 2–3 e⁻ деңгээлинде калат.
• ITHR жогорулаган сайын noiseда гана эске албагандай/аз өсүш байкалат.
• Нурлантуудан мурдагы жана кийинки noise бөлүштүрүүлөрүнүн жайылышы бири-бирине окшош.
• Пиксел матрицасындагы noise бир тектүүлүгү сакталат.

Бул табылга threshold радиацияга жана DAC жөндөөлөрүнө сезгич болсо да, электрондук noise ошол эле деңгээлде өзгөрбөй турганын көрсөтөт.

Threshold–noise тең салмактуулугу эмне үчүн маанилүү?

Бөлүкчө детекторунда thresholdду мүмкүн болушунча төмөн жөндөө алсыз физикалык сигналдарды аныктоого жардам бериши мүмкүн; бирок threshold электрондук noiseга өтө жакындатылса, жалган триггерлер жана туруксуз иштөө коркунучу өсөт. Ошондуктан “эң төмөн threshold” гана эмес, жетиштүү төмөн threshold менен туруктуу noise ортосундагы тең салмак маанилүү.

Булак threshold–noise корреляциясын колдонуп, эң ылайыктуу иш аймагы орточо ITHR маанилеринде экенин билдирет. Өтө төмөн-threshold конфигурацияларына техникалык жактан жетүүгө болсо да, алар рентген нурлануусуна карата чоңураак салыштырмалуу өзгөрүү көрсөтөт.

Радиациядан келип чыккан threshold shiftтин параметрлерге көз карандылыгы

Изилдөө акырында ар бир DAC параметри үчүн нурлантылган жана нурлантылбаган сенсор thresholdдорунун айырмасын эсептеп, калган эки параметрдин бардык конфигурациялары боюнча орточо маанини алган.

Натыйжа:

• ITHR өскөн сайын threshold shift жалпысынан азаят.
• ICASN көз карандылыгы монотондуу эмес; орто ICASN маанилеринде максимум байкалат.
• IDB да байкаларлык өзгөрүү көрсөтөт, бирок жөнөкөй монотондуу байланыш жок.
• Үч параметрдин ичинен эң ачык системалуу радиациялык көз карандылык ITHRде көрүнөт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Эксперимент агымы

1. Экинчи муундагы монолиттик CMOS пикселдик сенсор атайын carrier board жана FPGA негизиндеги окуу системасына туташтырылды.
2. Температура 16 ± 1 °Cде көзөмөлдөндү.
3. IBIAS = 43 туруктуу кармалып, ITHR, IDB жана ICASN скандалды.
4. Ар бир пиксел үчүн ар башка инъекциялык заряддарда жооп алынып, S-ийри сызыктары түзүлдү.
5. S-ийри сызыктарынан пиксел thresholdу жана equivalent noise charge чыгарылды.
6. Нурлантуудан мурда threshold жана noise бөлүштүрүүлөрү түзүлдү.
7. Сенсор XRad160 ичинде 30 cm булак–үлгү аралыгы менен болжол менен 10 kGy рентген нурлануусуна дуушар кылынды.
8. Нурлантуудан кийин атайын annealing процесси колдонулган жок.
9. Электрдик мүнөздөмөлөө ошол эле көзөмөлдөнгөн температура шартында кайталанды.
10. Post-irradiation мүнөздөмөлөө болжол менен эки айга созулду.
11. Нурлантуудан мурунку жана кийинки threshold, noise жана threshold–noise корреляциялары салыштырылды.
12. Радиациядан келип чыккан threshold shift ITHR, ICASN жана IDB боюнча өзүнчө талданды.

Булакта изилденген DAC диапазондору

Булак графиктеринде колдонулган скан чекиттеринен көрүнгөн негизги диапазондор:

Бул диапазондор булак графиктериндеги скан чекиттеринен алынган; Verianla алардын ортосундагы өлчөнбөгөн чекиттерде интерполяция жасабайт.

Негизги сандык натыйжалар

Булак графиктери чогуу көрсөткөн натыйжа

Threshold карталары менен noise графиктерин чогуу баалоо сенсор жүрүм-туруму эки башка огу боюнча бөлүнөрүн көрсөтөт. Threshold электрондук иш чекити жана радиация тарабынан күчтүү түрдө кайра жөндөлүшү мүмкүн, ал эми noise салыштырмалуу туруктуу бойдон калат. Бул айырма нурлантуудан кийин сенсор таптакыр ошол эле электрондук иш чекитинде калбаганын, бирок DAC retuning аркылуу колдонууга жарамдуу иш аймактары сакталышы мүмкүн экенин көрсөтөт.

Башкача айтканда, изилдөөнүн “robustness” натыйжасы “радиация сенсордо эч кандай өзгөрүү жараткан жок” дегенди билдирбейт. Булак түз жана өлчөнө турган threshold өзгөрүүсүн көрсөтөт. Туруктуулук чечмелөөсү бул өзгөрүүгө карабастан threshold бир тектүүлүгү менен noise көрсөткүчү сакталып, сенсордо жөндөлүүчү иш аймагы калышына негизделет.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Экинчи муундагы монолиттик CMOS пикселдик сенсордун thresholdу пиксел матрицасы боюнча жогорку бир тектүүлүктү көрсөтөт.
• Өкүлдүү ITHR = 20, IDB = 80 жана ICASN = 8 иш чекитинде threshold болжол менен 367 ± 13 e⁻ масштабында; бул жерде ±13 e⁻ булакта берилген бөлүштүрүүнүн стандарттык четтөөсүн билдирет.
• ITHR изилденген DAC параметрлеринин ичинен thresholdко эң күчтүү таасир берет.
• ICASN thresholdду майда жөндөөгө салым кошот.
• IDB thresholdко таасир берет, бирок глобалдык көз карандылык ITHRге караганда алсызыраак.
• 10 kGy рентген нурлануусу thresholdду системалуу түрдө төмөнүрөөк маанилерге жылдырган.
• Төмөн ITHR/төмөн-threshold иш чекиттери нурлантуу таасирине сезгичирээк.
• Threshold shift айрым конфигурацияларда абсолюттук чоңдук катары болжол менен 80–90 e⁻ чейин жетет.
• Threshold бөлүштүрүүсүнүн пикселден пикселге бир тектүүлүгү нурлантуудан кийин негизинен сакталган.
• Noise ITHR, IDB жана ICASN жөндөөлөрүнө threshold сыяктуу күчтүү көз каранды эмес.
• Нурлантуудан кийин noise чектелүү гана өсүш көрсөткөн.
• Threshold–noise байланышы нурлантуудан мурда жана кийин колдонууга жарамдуу DAC жөндөө аймагы бар экенин көрсөтөт.
• Орточо ITHR маанилери жетиштүү төмөн threshold менен жогорку радиациялык туруктуулуктун ортосунда пайдалуу иш аймагын камсыз кылат.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

• Изилдөө сенсор бардык радиация түрлөрүнө карата өзгөрбөс экенин көрсөтпөйт.
• 10 kGy рентген натыйжасы протон, нейтрон, пион же адрондон келип чыккан non-ionizing energy loss таасирлерин түз өлчөө эмес.
• Изилдөө бүт HL-LHC кызмат мөөнөтүнүн же күтүлгөн жалпы радиациялык чөйрөнүн толук лабораториялык көчүрмөсү эмес.
• Нурлантуудан кийин threshold өзгөргөн жок деп айтууга болбойт; булак системалуу өзгөрүүнү өлчөйт.
• Радиациянын noiseга эч кандай таасири жок деп айтууга болбойт; аз, бирок өлчөнө турган өсүүлөр бар.
• Эң төмөн threshold автоматтык түрдө эң жакшы иш чекити деп айтууга болбойт; төмөн-threshold жөндөөлөрү радиацияга сезгичирээк.
• Бардык сенсор калыңдыктары бирдей радиациялык жооп берет деген жыйынтык чыгарууга болбойт; булак “ар башка калыңдыктар” жөнүндө айтса да, бул макалада сандык калыңдык маанилери же калыңдыкка негизделген деталдуу жыйынтыктар берилген эмес.
• Post-irradiation маанилери нурлантуудан дароо кийин алынган бир жолку маанилер эмес; өлчөө кампаниясы болжол менен эки айга созулган.
• Булак доза белгисиздигинин сандык ишеним интервалын бербегендиктен, 10 kGy маанисине Verianla тарабынан кошумча ± ката маанисин ыйгарууга болбойт.

Методикалык жана отчеттук чектөөлөр

• Бир негизги радиациялык сценарий: Негизги салыштыруу 10 kGy рентгендин жалпы иондоштуруучу дозасына негизделет.
• Post-irradiation убакыт терезеси: Мүнөздөмөлөө болжол менен эки айга созулган жана булак табигый annealing таасирлери натыйжаларга кириши мүмкүн экенин билдирет.
• Annealing көзөмөлү: Өзүнчө көзөмөлдөнгөн annealing протоколу колдонулган эмес.
• Дозанын белгисиздиги: Irradiator калибрлөөсү жана beam uniformity системалуу белгисиздик булактары катары көрсөтүлгөн, бирок сандык ката бюджети берилген эмес.
• Сенсор калыңдыгы: Метод бөлүмүндө ар башка калыңдыктагы сенсорлор жөнүндө айтылат, бирок сандык калыңдыктар жана калыңдыкка негизделген өзүнчө жыйынтыктар берилбейт.
• Статистикалык жыйынтык чыгаруу: Изилдөө негизинен бөлүштүрүүлөрдү, орточо маанилерди, стандарттык четтөөлөрдү, карталарды жана салыштырма тенденцияларды колдонот; негизги radiation натыйжалары үчүн өзүнчө p-маани, ишеним интервалы же гипотеза тести берилген эмес.
• S-ийри сызыгынын fit параметрлери: Үлгү графикте \(p_0\), \(p_1\) жана \(p_2\) fit параметрлери көрсөтүлгөн, бирок булак бул үч символдун ар биринин физикалык маанисин текстте өзүнчө аныктабайт. Verianla бул дал келүүнү божомолдобойт.

Изилдөөнүн практикалык инженердик билдирүүсү

Детектор электроникасында радиацияга туруктуулукту “чип иштеп жатабы?” деген суроого гана кыскартууга болбойт. Threshold, noise, бир тектүүлүк жана жөндөлүү жөндөмү чогуу бааланышы керек. Бул изилдөөдө 10 kGy рентген нурлануусунан кийин threshold иш чекити жылганына карабастан noise негизинен туруктуу калып, DAC жөндөөлөрү аркылуу колдонууга жарамдуу иш аймактары сакталган.

Бул жыйынтык, өзгөчө ITHR радиациядан кийинки кайра жөндөө үчүн маанилүү башкаруу куралы экенин көрсөтөт. Бирок чыныгы тездеткич экспериментинде колдонула турган оптималдуу DAC жөндөөлөрү ошол детектордун реалдуу радиация тарыхы, температурасы, сенсор калыңдыгы, bias шарттары жана эксперименттик натыйжалуулук талаптары астында өзүнчө текшерилиши керек.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталышы: Performance of Monolithic CMOS Pixel Sensors Under X-Rays

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

Авторлордун тартиби: Mohammad Mobassir Ameen → Ganapati Dash → Anushree Vijay → Theertha Chembakan → Prafulla Kumar Behera.

Жооптуу авторлор: Mohammad Mobassir Ameen жана Ganapati Dash.

Бирдей салым: Булакта бирдей биринчи авторлук же бирдей салым тууралуу билдирүү аныкталган эмес.

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

Журнал: Physics.

Бөлүм: Detectors and Instruments.

Басмакана: MDPI.

Том / номер / макала номери: 8(3), 62.

DOI: 10.3390/physics8030062.

Жөнөтүлгөн күнү: 20 Май 2026.

Кайра кароо күнү: 9 Июль 2026.

Кабыл алынган күнү: 23 Июль 2026.

Жарыяланган күнү: 21 Август 2026.

Булак түрү: Рецензияланган эксперименттик изилдөө макаласы; жогорку энергия физикасындагы детектор электроникасы жана радиацияга туруктуулукту мүнөздөмөлөө.

Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Негизги сенсор технологиясы: Экинчи муундагы MALTA үй-бүлөсүнүн монолиттик CMOS пикселдик сенсору; модификацияланган TowerJazz 180 nm CMOS процесси.

Негизги эксперименттик ыкма: DAC негизиндеги threshold/noise скандары, пиксел S-ийри сызыгын талдоо, charge injection калибрлөөсү жана 10 kGy XRad160 рентген нурлануусуна чейин/кийин салыштыруу.

Өлчөө программалык камсыздоосу: MALTA программалык алкагы; C++ жана Python3.

Окуу жабдуусу: FPGA негизиндеги баалоо системасы; Kintex-7 FPGA, KC705 платасы жана FMC туташуусу.

Нурлантуу түзмөгү: PRECISION XRad160, вольфрам бута.

Жалпы доза: 10 kGy рентген нуру.

Доза ылдамдыгы: Болжол менен 12,7 Gy/мүнөт.

Булак–үлгү аралыгы: 30 cm.

Өлчөө температурасы: 16 ± 1 °C.

Post-irradiation annealing: Атайын көзөмөлдөнгөн annealing процесси жүргүзүлгөн эмес. Радиациядан кийинки мүнөздөмөлөө болжол менен эки айга созулуп, булак табигый annealing таасирлери натыйжаларга кириши мүмкүн экенин билдирген.

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

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөдө түзүлгөн/талданган маалымат топтомдорун негиздүү суроо боюнча жооптуу авторлордон алууга болот. Маалымат көлөмү терабайт масштабында болгондуктан, алар ачык репозиторийде архивделген эмес.

Ыраазычылык: Авторлор CERN жана CERN Experimental Physics Department бөлүмүнө колдоо жана багыт берүү үчүн ыраазычылык билдиришет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен. Каржылоочулар изилдөө дизайнына, маалымат чогултууга/талдоого/чечмелөөгө, макаланы жазууга же жарыялоо чечимине катышкан эмес деп көрсөтүлгөн.

DURC билдирүүсү: Булак изилдөөнү жогорку энергия физикасында бөлүкчө детекторун өнүктүрүүгө багытталган изилдөө катары классификациялайт; dual-use потенциалын тааный турганын жана тиешелүү этикалык, улуттук жана эл аралык эрежелер сакталганын билдирет.

Авторлордун салымы: Концептуалдаштыруу M.M.A., G.D. жана P.K.B.; ыкма M.M.A. жана G.D.; текшерүү жана формалдык талдоо M.M.A. жана G.D.; изилдөө M.M.A., G.D., A.V. жана T.C.; эксперименттик түзүлүш G.D. жана A.V.; маалымат чогултуу M.M.A., G.D., A.V. жана T.C.; ресурстар P.K.B.; маалымат курациясы M.M.A. жана G.D.; алгачкы долбоор M.M.A. жана G.D.; карап чыгуу/редакциялоо M.M.A., G.D. жана P.K.B.; көзөмөл, долбоорду башкаруу жана каржылоону алуу P.K.B. тарабынан аткарылганы билдирилген.

Булак ичиндеги көрсөтүү эскертүүсү: Биринчи муундагы пиксел кадамы болжол менен 36,4 × 36,4 µm² деп жазылган, ал эми экинчи муун ошол эле пиксел өлчөмүн сактаганы айтылган сүйлөмдө “36,4 µm²” көрсөтүүсү колдонулган. Verianla экинчи маанини унчукпай кайра жазган эмес.

Жетишпеген кайра өндүрүмдүүлүк маалыматы: Булак DAC скандары ар башка калыңдыктагы сенсорлордо жүргүзүлгөнүн билдирет, бирок бул изилдөөдө колдонулган калыңдык маанилерин деталдуу бербейт.

Доза белгисиздигинин чеги: Калибрлөө жана beam-uniformity таасирлери системалуу белгисиздик булактары катары билдирилгени менен, жалпы дозанын сандык белгисиздиги берилген эмес.

Негизги чечмелөө чеги: Макала 10 kGy рентгендин жалпы иондоштуруучу дозасында threshold жана noise жүрүм-турумун мүнөздөйт. Бул натыйжа өзү эле бардык тездеткич радиация талаалары, non-ionizing зыян механизмдери же сенсордун бүт кызмат мөөнөтү үчүн толук радиацияга туруктуулуктун далили эмес.