Sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ni teknolojia ya detekta ya ufuatiliaji wa chembe inayounganisha eneo la silikoni linalotambua chaji ya umeme inayozalishwa na chembe pamoja na elektroniki ya usomaji ya sehemu ya mbele ya pikseli ndani ya muundo uleule wa chipu ya CMOS. Utafiti huu ulichunguza mipangilio ya kizingiti ya sehemu ya mbele na kelele ya kielektroniki ya sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ya kizazi cha pili katika mradi wa MALTA, kisha ukarudia uainishaji huohuo baada ya kuiweka sensa kwenye dozi ya jumla ya mionzi ya X inayoonisha ya 10 kGy. Swali kuu ni jinsi mipangilio ya kigeuzi cha dijitali kwenda analogi (DAC) inayoitwa ITHR, IDB na ICASN inavyobadilisha kizingiti na kelele, na ni kwa kiwango gani tabia hii huhifadhiwa baada ya dozi kubwa ya mionzi ya X.

Sensa ya kizazi cha pili iliyochunguzwa imetengenezwa kwa teknolojia ya TowerJazz 180 nm CMOS, ikiwa na matriki ya pikseli 224 × 512 na eneo hai la 20,2 × 10,1 mm². Chanzo kinaeleza hatua ya pikseli ya kizazi kilichotangulia kuwa takribani 36,4 × 36,4 µm² na kinasema kuwa ukubwa huohuo wa pikseli umehifadhiwa katika kizazi cha pili. Katika kizazi cha pili hutumika udhibiti unaotegemea shift register, sehemu ya mbele ya open-loop kwa lengo la kelele ndogo na muundo kompakt, transista za multi-cascode zinazoongeza gain, basi la data la 37 bit, rejista ya udhibiti ya 4322 bit, na usomaji unaotegemea Kintex-7 FPGA/KC705.

Katika hatua ya kazi ya uwakilishi ya ITHR = 20, IDB = 80 na ICASN = 8, wastani wa usambazaji wa kizingiti cha pikseli ulikuwa takribani 367 e⁻ na mkengeuko wa kawaida takribani 13 e⁻. Hakukuonekana miundo dhahiri ya kasoro za eneo maalumu katika matriki ya pikseli, na iliripotiwa kuwa usambazaji wa kizingiti ulikuwa kwa kiasi kikubwa sawia. Kwa usambazaji wa kelele katika mpangilio huohuo wa uwakilishi, chanzo kinaonyesha wastani wa takribani 11,8 e⁻ na mkengeuko wa kawaida wa 2,83 e⁻.

Uchanganuzi wa DAC unaonyesha kuwa thamani ya kizingiti inadhibitiwa kwa nguvu zaidi na ITHR. ITHR inapoongezeka, kizingiti huongezeka kwa nguvu na takribani kwa mstari. ICASN hutoa urekebishaji wa ziada wa kina wa kizingiti; IDB pia huathiri kizingiti, lakini katika eneo la kazi lililochunguzwa si yenye ushawishi mkubwa kama ITHR. Baada ya kuangaziwa, thamani za kizingiti zilisogea kwa utaratibu kuelekea viwango vya chini; mabadiliko yalikuwa makubwa zaidi hasa katika usanidi wa ITHR ya chini na kizingiti cha chini. Katika baadhi ya skani, ukubwa wa mabadiliko kamili ya kizingiti hufikia takribani 80–90 e⁻. Licha ya hayo, usawiano wa usambazaji wa kizingiti kutoka pikseli hadi pikseli ulihifadhiwa kwa kiasi kikubwa.

Tabia ya kelele ni tofauti na ya kizingiti. Mabadiliko ya ICASN, IDB na ITHR yalibadilisha kelele kwa kiwango kidogo tu; hata baada ya kuangaziwa, ongezeko la jumla la kelele lilibaki dogo. Chanzo kinataja mabadiliko ya takribani 1–2 e⁻ katika skani za ICASN na takribani 2–3 e⁻ katika skani za IDB. Hivyo kuna eneo pana la kazi ambamo kizingiti cha chini kinaweza kupatikana huku kelele ikibaki katika kiwango kinachokubalika. Hata hivyo, utafiti huu unajaribu tu hali ya dozi ya jumla ya mionzi ya X inayoonisha ya 10 kGy; matokeo hayawezi kujumlishwa kiotomatiki kwa aina zote za chembe, muda wote wa maisha ya HL-LHC, au kila utaratibu wa uharibifu wa mionzi.

Sensa ya Pikseli ya CMOS Monolitiki ni Nini?

Sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ni detekta ya pikseli ambamo ujazo wa utambuzi na elektroniki ya analogi/dijitali ya sehemu ya mbele zimeunganishwa kwenye muundo uleule wa silikoni. Mbinu hii iliyounganishwa inaweza kupunguza bajeti ya nyenzo ikilinganishwa na miundo ambayo sensa tofauti na chipu ya usomaji huunganishwa kwa bump-bonding; katika mbinu ya depleted monolithic active pixel sensor, yaani DMAPS, vibeba chaji hukusanywa kwa drift katika eneo la silikoni lililodepleted kikamilifu au kwa sehemu, kwa lengo la kupata ishara ya haraka na ustahimilivu wa mionzi.

Katika fizikia ya chembe za nishati ya juu, pikseli nyingi ndogo hutumiwa kubainisha kwa usahihi mahali chembe inapopita ndani ya detekta. Kwa kuwa viwango vya chembe na mionzi huongezeka katika viongeza kasi vya luminosity ya juu vya baadaye, sensa ya pikseli inatarajiwa kuwa na sifa kadhaa kwa wakati mmoja:

• pikseli ndogo na azimio kubwa la nafasi,
• uwezo wa kufanya kazi katika viwango vya juu vya hit,
• kelele ndogo ya kielektroniki,
• kizingiti cha utambuzi kilicho chini vya kutosha na sawia,
• kuhifadhi uwezo wa kurekebishwa baada ya mionzi,
• bajeti ndogo ya nyenzo,
• usomaji wa haraka na wenye ufanisi.

Sensa ya kizazi cha pili iliyochunguzwa katika utafiti

Dokezo la uonyeshaji katika chanzo: Kwa sensa ya kizazi cha kwanza, hatua ya pikseli imeandikwa wazi kama \(36.4\times36.4~\mu\mathrm m^2\). Wakati chanzo kinasema kizazi cha pili kimehifadhi ukubwa huohuo wa pikseli, maandishi yanatumia tu “36.4 µm²”. Uandishi huu wa vipimo haujabadilishwa kwa makisio na Verianla.

Vigezo vya DAC vya sehemu ya mbele hufanya nini?

DAC ni “digital-to-analog converter”, yaani kigeuzi cha dijitali kwenda analogi. Baadhi ya pointi za kazi za mkondo na volteji katika saketi ya analogi ya sehemu ya mbele ya sensa zinaweza kurekebishwa kupitia thamani za dijitali. Vigezo vikuu vilivyofanyiwa skani katika utafiti ni ITHR, IDB na ICASN; IBIAS ilihifadhiwa katika thamani ya 43.

Mfumo wa uainishaji wa kielektroniki

Sensa iliunganishwa kwenye carrier board maalumu iliyoundwa CERN. Bodi hutoa LVDD kwa usambazaji wa dijitali wa volteji ya chini, DVDD kwa usambazaji wa kiini cha dijitali, AVDD kwa usambazaji wa analogi, substrate bias kama PWELL na SUB, pamoja na volteji ya marejeo ya DREF.

Carrier board huunganishwa na kadi ya tathmini ya FPGA kupitia kiunganishi cha FMC. FPGA hushughulikia usanidi wa sensa, udhibiti na ukusanyaji wa data. Mawasiliano kati ya FPGA na kompyuta hufanyika kupitia Ethernet. Mfumo uliwezeshwa na vyanzo vitano huru vya nguvu ya volteji ya chini, na urekebishaji wa volteji/mkondo ulifuatiliwa kwa multimeter ya dijitali ya usahihi wa juu.

Ukusanyaji wa data na udhibiti ulifanywa kwa kutumia mfumo wa programu wa MALTA uliotengenezwa kwa C++ na Python3. Programu huwezesha kurekebisha register za chipu, kufanya skani za DAC na kusoma majibu ya pikseli.

Katika vipimo vyote vya kielektroniki, halijoto:

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

ilihifadhiwa katika kiwango hiki. Lengo lilikuwa kupunguza mabadiliko ya kelele ya kielektroniki na threshold dispersion yanayoweza kusababishwa na halijoto, ili vipimo vya kabla na baada ya kuangaziwa viweze kulinganishwa.

Mkunjo wa S Huamuaje Kizingiti na Kelele ya Pikseli?

Mkunjo wa S ni mkunjo wa mpito unaoonyesha ni mara ngapi pikseli hujibu wakati chaji za sindano zinazojulikana na zinazoongezeka hatua kwa hatua zinatumika kwenye pikseli; uwezekano wa jibu huwa mdogo katika chaji ndogo, lakini huongezeka haraka chaji inapofikia eneo la kizingiti. Utafiti hufit mkunjo wa S wa kila pikseli ili kutoa thamani ya kizingiti kinachofanya kazi, na hutumia upana wa mpito wa mkunjo kama kipimo cha kelele ya kielektroniki katika equivalent noise charge, yaani ENC.

Chaji iliyodungwa

Chaji ya umeme inayotumika kwenye pikseli katika utafiti:

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

huhesabiwa kwa kutumia.

Hapa:

• \(Q_{\mathrm{inj}}\): ni chaji ya umeme iliyodungwa kwenye pikseli na kitengo chake ni coulomb,
• \(C_{\mathrm{inj}}\): ni capacitance ya ndani ya sindano,
• \(V_H\): ni kiwango cha juu cha volteji cha mpigo wa sindano,
• \(V_L\): ni kiwango cha chini cha volteji cha mpigo wa sindano.

Capacitance ya sindano iliyotumiwa na chanzo:

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

ina thamani hii. “aF” humaanisha attofarad:

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

Katika fomula, chaji iliyodungwa huongezeka kwa mstari kadiri tofauti ya volteji inavyoongezeka. Vivyo hivyo, ikiwa capacitance ya sindano inaongezeka wakati tofauti ya volteji ni thabiti, chaji inayotumika pia huongezeka.

Ekvivalenti ya elektroni hupatikanaje?

Idadi ya chaji za msingi za elektroni zinazolingana na chaji ya umeme:

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

huhesabiwa kwa kutumia.

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

ni ukubwa wa chaji ya msingi ya elektroni moja. Kwa kuwa kitengo cha namba ya juu ni coulomb, baada ya kugawanya matokeo huonyeshwa kama ekvivalenti ya elektroni. Kauli ya “367 e⁻ threshold” katika makala ni ekvivalenti ya chaji ya aina hii; haimaanishi kwamba kimwili kuna elektroni 367 tu katika sensa, bali inaonyesha kuwa chaji ya ishara inayohitajika kwa trigger inalingana na takribani chaji 367 za msingi.

Hatua ya kazi ya pikseli ya uwakilishi

Chanzo kilifanya uchunguzi wa kwanza wa kina wa threshold katika:

• ITHR = 20,
• IDB = 80,
• ICASN = 8

mipangilio hii.

Matriki kamili ya 224 × 512 ina nafasi 114.688 za kijiometri za pikseli. Michoro ya chanzo inaripoti ingizo 114.302 na inaeleza kuwa maeneo meupe yanawakilisha pikseli ambazo thamani za threshold/noise hazijaonyeshwa. Kwa kuwa chanzo hakitambui maeneo haya meupe moja kwa moja kama “pikseli mbovu”, Verianla pia haitoi tafsiri hiyo.

Usawiano wa threshold unamaanisha nini?

Usawiano wa threshold unaeleza jinsi chaji zinazohitajika ku-trigger pikseli tofauti katika mpangilio uleule wa DAC zilivyo karibu. Ikiwa baadhi ya pikseli zina threshold ya chini sana na nyingine ya juu sana, ishara ileile ya kimwili ya chembe inaweza kusababisha ufanisi tofauti wa utambuzi katika maeneo tofauti ya matriki.

Wastani wa takribani 367 e⁻ na mkengeuko wa kawaida wa 13 e⁻ katika mpangilio wa uwakilishi unatathminiwa na chanzo kama usambazaji mwembamba na sawia. Imeripotiwa kuwa hakuna miundo mikubwa ya threshold ya eneo maalumu au maeneo dhahiri yenye kasoro yaliyoonekana katika ramani ya pande mbili.

Mfumo wa uangazishaji wa mionzi ya X

Uangazishaji ulifanywa kwa mfumo wa PRECISION XRad160 katika IIT Madras High Energy Physics Laboratory. Mfumo hutumia shabaha ya tungsten na unaweza kuzalisha wigo mpana wa bremsstrahlung wa mionzi ya X kwa volteji ya bomba hadi 160 kV.

10 kGy inamaanisha nini?

Gray (Gy) ni kitengo cha dozi iliyofyonzwa kinacholingana na joule moja ya nishati inayohamishwa na mionzi ya ionization kwenda kwa kilogramu moja ya dutu:

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

Kwa hiyo:

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

Ufafanuzi huu ni maelezo ya kielimu ya kitengo cha dozi kilichotumiwa. Makala hutumia dozi ya jumla ya mionzi ya X ya 10 kGy kama hali ya jaribio.

Kutokuwa na uhakika wa dozi

Chanzo kinaeleza kuwa dozi iliyotolewa iliamuliwa kutoka kwa kasi ya dozi iliyokalibishwa na muda wa kuathiriwa; kutokuwa na uhakika kwa kimfumo kunatokana hasa na urekebishaji wa irradiator na mabadiliko yanayowezekana ya usawiano katika uga wa mionzi. Hata hivyo, chanzo hakiripoti ukubwa wa namba wa kutokuwa na uhakika huu kwa asilimia au kwa Gy. Kwa hiyo Verianla haibuni kiwango cha kosa kwa kutokuwa na uhakika wa dozi ambacho hakipo katika chanzo.

Suala la annealing baada ya kuangaziwa

Hakuna mchakato maalumu wa annealing uliofanywa baada ya kuangaziwa. Kampeni ya uainishaji wa kielektroniki wa sensa baada ya mionzi ilidumu takribani miezi miwili, na kifaa kilihifadhiwa katika hali zinazodhibitiwa za 16 ± 1 °C katika kipindi hicho.

Chanzo kinaeleza wazi kuwa matokeo yaliyoripotiwa yanaweza kujumuisha athari za asili za “room-temperature annealing” ambazo huenda zilitokea katika kipindi hiki. Kwa hiyo, hali iliyopimwa ya “baada ya kuangaziwa” haipaswi kufasiriwa kama dhana sawa kabisa na hali ya uharibifu ya muda-sifuri mara tu baada ya kuangaziwa.

Mionzi ya X ya 10 kGy Iliathirije Thamani za Threshold na Noise?

Uangazishaji wa mionzi ya X wa 10 kGy ulisogeza threshold ya sensa kwa utaratibu kuelekea thamani za chini katika eneo lote la DAC lililochunguzwa, na athari ilikuwa kubwa zaidi hasa katika usanidi wa ITHR ya chini na threshold ya chini; wakati huohuo usawiano wa threshold wa matriki ya pikseli ulihifadhiwa kwa kiasi kikubwa na noise ya kielektroniki ilionyesha ongezeko dogo tu. Kwa hiyo, athari ya mionzi katika utafiti ilijitokeza hasa kama kusogea kwa hatua ya kazi ya threshold, bila kuzorota kwa ukubwa sawa katika utendaji wa noise.

Skani ya ICASN

Kadiri ICASN inavyoongezeka, threshold ya wastani hupungua katika sensa ambayo haijaangaziwa na ile iliyoangaziwa. Tabia hii inaendana na jukumu la kielektroniki la ICASN la kubadilisha amplifier baseline.

Katika masafa yote ya ICASN, threshold ya sensa iliyoangaziwa ilikuwa chini kuliko ya sensa isiyoangaziwa. Hata hivyo, upana wa usambazaji ulioonyeshwa kwa error bars ulibaki sawa, na chanzo kilitafsiri hili kuwa threshold uniformity haikuharibika kwa kiwango kikubwa kutokana na uangazishaji.

Skani ya ITHR–IDB

ICASN = 4 ilipowekwa thabiti, ITHR na IDB zilifanyiwa skani pamoja. ITHR inapoongezeka, threshold huongezeka kwa uwazi na kwa monotonic, huku mabadiliko katika mwelekeo wa IDB yakiwa dhaifu zaidi.

Kwa thamani za chini za ITHR, ukubwa kamili wa mabadiliko ya threshold yanayosababishwa na mionzi ulikuwa takribani:

\[ 80\text{–}90~e^- \]

na ulifikia kiwango hiki.

Thamani ya 80–90 e⁻ hapa ni ukubwa wa mabadiliko kamili. Ulinganisho wa jumla wa utafiti unaonyesha kuwa threshold ilisogea hadi thamani za chini baada ya kuangaziwa; kwa hiyo si sahihi kutafsiri moja kwa moja usemi “ongezeko la 80–90 e⁻” kama ongezeko lenye ishara chanya la threshold iliyoangaziwa.

Katika ramani ileile ya ITHR–IDB, mabadiliko ya jamaa hubaki chini ya takribani %25 katika sehemu kubwa ya nafasi ya vigezo. Mikengeuko mikubwa zaidi iko katika eneo la ITHR ya chini.

Skani ya ITHR–ICASN

IDB = 80 ilipowekwa thabiti, gradient dhahiri ya threshold ilionekana tena katika mwelekeo wa ITHR, huku athari ya ICASN ikibaki katika kiwango cha kati. Baada ya kuangaziwa, kusogea kwa threshold kwa utaratibu huonekana katika hali zote za IDB zilizochunguzwa.

Katika skani hii, iliripotiwa kuwa mabadiliko ya jamaa yalibaki chini ya takribani %20 katika sehemu kubwa ya nafasi ya vigezo.

Skani ya IDB–ICASN

ITHR = 100 ikiwa thabiti, athari za IDB na ICASN ni dhaifu kuliko athari ya ITHR yenyewe. Mabadiliko kamili ya threshold yanaweza tena kufikia takribani 80–90 e⁻ kulingana na mchanganyiko wa mipangilio.

Imeripotiwa kuwa mabadiliko ya jamaa ya threshold hubaki chini ya takribani %15 katika maeneo mengi haya, huku mikengeuko mikubwa zaidi ikiweza kuonekana upande wa IDB ya chini.

Kwa nini ITHR ndiyo kigezo muhimu zaidi cha mpangilio?

Katika chanzo, skani ya ITHR inahusisha takribani masafa ya 20–120. ITHR inapoongezeka, threshold huongezeka kwa nguvu na karibu kwa mstari katika masafa mapana ya mamia ya elektroni, ilhali noise hubadilika kidogo sana. Kwa hiyo ITHR haikuchukuliwa tu kama kigezo kidogo cha marekebisho, bali kama udhibiti mkuu unaoweka kiwango cha jumla cha threshold ya sensa.

ICASN huruhusu threshold kurekebishwa kwa usahihi zaidi. IDB huathiri hatua ya kazi ya discriminator na kuchangia kusogea kwa threshold kunakosababishwa na mionzi; hata hivyo, katika matokeo yaliyochunguzwa, kigezo chenye ushawishi mkuu kwenye threshold ya jumla ni ITHR.

Kwa nini noise hutenda tofauti?

Noise ilitathminiwa kwa equivalent noise charge, ENC, inayopatikana kutoka kwa upana wa mpito wa mkunjo wa S wa pikseli. Ingawa vigezo vya DAC vinaweza kubadilisha threshold kwa mamia ya elektroni, mikunjo ya noise ni tambarare zaidi.

Matokeo ya chanzo:

• Katika skani ya ICASN, mabadiliko ya noise ni takribani 1–2 e⁻.
• Katika skani ya IDB, mabadiliko baada ya kuangaziwa hubaki takribani 2–3 e⁻.
• ITHR inapoongezeka, noise huonyesha tu ongezeko lisilo na umuhimu/kidogo.
• Mtawanyiko wa usambazaji wa noise kabla na baada ya kuangaziwa unafanana.
• Usawiano wa noise kwenye matriki ya pikseli huhifadhiwa.

Ugunduzi huu unaonyesha kuwa ingawa threshold ni nyeti kwa mionzi na mipangilio ya DAC, noise ya kielektroniki haibadiliki kwa kiwango kilekile.

Kwa nini uwiano wa threshold–noise ni muhimu?

Katika detekta ya chembe, kuweka threshold kuwa ya chini kadiri iwezekanavyo kunaweza kusaidia kutambua ishara dhaifu za kimwili; lakini threshold ikiletwa karibu sana na noise ya kielektroniki, hatari ya trigger za uongo na uendeshaji usio thabiti inaweza kuongezeka. Kwa hiyo si “threshold ya chini kabisa” tu iliyo muhimu, bali uwiano kati ya threshold iliyo chini vya kutosha na noise thabiti.

Chanzo kinatumia uhusiano wa threshold–noise na kueleza kuwa eneo linalofaa zaidi la kazi linapatikana katika thamani za kati za ITHR. Ingawa usanidi wa threshold ya chini sana unaweza kufikiwa kiufundi, unaonyesha mabadiliko ya jamaa makubwa zaidi dhidi ya uangazishaji wa mionzi ya X.

Utegemezi wa threshold shift inayosababishwa na mionzi kwa vigezo

Hatimaye, utafiti ulihesabu tofauti kati ya threshold za sensa iliyoangaziwa na isiyoangaziwa kwa kila kigezo cha DAC na ukachukua wastani juu ya usanidi wote wa vigezo viwili vilivyobaki.

Matokeo:

• ITHR inapoongezeka, threshold shift kwa ujumla hupungua.
• Utegemezi wa ICASN si monotonic; kiwango cha juu huonekana katika thamani za kati za ICASN.
• IDB pia huonyesha mabadiliko yanayoonekana, lakini hakuna uhusiano rahisi wa monotonic.
• Kati ya vigezo vitatu, utegemezi wa mionzi ulio wazi zaidi na wa utaratibu unaonekana katika ITHR.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mtiririko wa jaribio

1. Sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ya kizazi cha pili iliunganishwa kwenye carrier board maalumu na mfumo wa usomaji unaotegemea FPGA.
2. Halijoto ilidhibitiwa katika 16 ± 1 °C.
3. IBIAS = 43 ilihifadhiwa thabiti huku ITHR, IDB na ICASN zikifanyiwa skani.
4. Mikunjo ya S iliundwa kwa kupata majibu ya kila pikseli katika chaji tofauti za sindano.
5. Threshold ya pikseli na equivalent noise charge zilitolewa kutoka kwenye mikunjo ya S.
6. Usambazaji wa threshold na noise kabla ya kuangaziwa uliundwa.
7. Sensa iliwekwa ndani ya XRad160 katika umbali wa chanzo–sampuli wa 30 cm na kuangaziwa kwa takribani 10 kGy ya mionzi ya X.
8. Hakuna mchakato maalumu wa annealing uliotumika baada ya kuangaziwa.
9. Uainishaji wa kielektroniki ulirudiwa katika hali zilezile za halijoto iliyodhibitiwa.
10. Uainishaji wa post-irradiation uliendelea kwa takribani miezi miwili.
11. Threshold, noise na mahusiano ya threshold–noise kabla na baada ya kuangaziwa yalilinganishwa.
12. Threshold shift inayosababishwa na mionzi ilichanganuliwa tofauti kulingana na ITHR, ICASN na IDB.

Masafa ya DAC yaliyochunguzwa katika chanzo

Masafa makuu yanayoonekana kutoka kwa pointi za skani zilizotumiwa katika grafu za chanzo:

Masafa haya yamehamishwa kutoka kwa pointi za skani katika grafu za chanzo; Verianla haifanyi interpolation katika pointi zisizopimwa kati yake.

Matokeo makuu ya namba

Hitimisho linaloelezwa kwa pamoja na grafu za chanzo

Kutathmini pamoja ramani za threshold na grafu za noise kunaonyesha kuwa tabia ya sensa inajitenga katika mhimili miwili tofauti. Threshold inaweza kurekebishwa upya kwa nguvu na hatua ya kazi ya kielektroniki pamoja na mionzi, huku noise ikibaki thabiti kwa kiasi. Tofauti hii inaonyesha kuwa sensa haibaki kwenye hatua ileile kabisa ya kazi ya kielektroniki baada ya kuangaziwa, lakini maeneo ya kazi yanayoweza kutumika yanaweza kuhifadhiwa kwa DAC retuning.

Kwa maneno mengine, matokeo ya “robustness” ya utafiti hayamaanishi kwamba “mionzi haikusababisha mabadiliko yoyote katika sensa”. Chanzo kinaonyesha mabadiliko ya threshold ya moja kwa moja na yanayoweza kupimwa. Tafsiri ya ustahimilivu imejengwa juu ya kuhifadhiwa kwa threshold uniformity na utendaji wa noise licha ya mabadiliko haya, pamoja na kubaki kwa eneo la kazi linaloweza kurekebishwa la sensa.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Threshold ya sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ya kizazi cha pili inaonyesha usawiano mkubwa katika matriki yote ya pikseli.
• Katika hatua ya kazi ya uwakilishi ya ITHR = 20, IDB = 80 na ICASN = 8, threshold iko katika kiwango cha takribani 367 ± 13 e⁻; hapa ±13 e⁻ inawakilisha mkengeuko wa kawaida wa usambazaji uliotolewa katika chanzo.
• ITHR ina athari kubwa zaidi kwenye threshold kati ya vigezo vya DAC vilivyochunguzwa.
• ICASN huchangia urekebishaji wa kina wa threshold.
• IDB huathiri threshold, lakini utegemezi wa jumla ni dhaifu kuliko wa ITHR.
• Uangazishaji wa mionzi ya X wa 10 kGy ulisogeza threshold kwa utaratibu kuelekea thamani za chini.
• Hatua za kazi za ITHR ya chini/threshold ya chini ni nyeti zaidi kwa athari ya uangazishaji.
• Threshold shift hufikia takribani 80–90 e⁻ kama ukubwa kamili katika baadhi ya usanidi.
• Usawiano wa usambazaji wa threshold kutoka pikseli hadi pikseli ulihifadhiwa kwa kiasi kikubwa baada ya kuangaziwa.
• Noise haitegemei mipangilio ya ITHR, IDB na ICASN kwa nguvu sawa na threshold.
• Baada ya kuangaziwa, noise ilionyesha ongezeko dogo tu.
• Uhusiano wa threshold–noise unaonyesha kuwa kuna eneo la mipangilio ya DAC linaloweza kutumika kabla na baada ya kuangaziwa.
• Thamani za kati za ITHR hutoa eneo zuri la kazi kati ya threshold iliyo chini vya kutosha na uthabiti mkubwa zaidi dhidi ya mionzi.

Hitimisho ambazo utafiti hauungi mkono

• Utafiti hauonyeshi kwamba sensa haibadiliki dhidi ya aina zote za mionzi.
• Matokeo ya 10 kGy ya mionzi ya X si kipimo cha moja kwa moja cha athari za non-ionizing energy loss zinazotokana na protoni, neutroni, pioni au hadroni.
• Utafiti si nakala kamili ya maabara ya muda wote wa maisha ya HL-LHC au mazingira yote ya mionzi yanayotarajiwa.
• Haiwezi kusemwa kwamba threshold haikubadilika baada ya kuangaziwa; chanzo kinapima mabadiliko ya utaratibu.
• Haiwezi kusemwa kwamba mionzi haina athari yoyote kwenye noise; kuna ongezeko dogo lakini linaloweza kupimwa.
• Haiwezi kusemwa kwamba threshold ya chini kabisa moja kwa moja ndiyo hatua bora ya kazi; mipangilio ya threshold ya chini ni nyeti zaidi kwa mionzi.
• Haiwezi kuhitimishwa kuwa unene wote wa sensa hutoa mwitikio uleule wa mionzi; ingawa chanzo kinataja “unene tofauti”, makala hii hairipoti thamani za namba za unene au matokeo ya kina yanayotegemea unene.
• Thamani za post-irradiation si thamani za wakati mmoja zilizochukuliwa mara moja baada ya kuangaziwa; kampeni ya vipimo ilidumu takribani miezi miwili.
• Kwa kuwa chanzo hakitoi masafa ya kujiamini ya namba kwa kutokuwa na uhakika wa dozi, Verianla haiwezi kuongeza thamani ya kosa ya ± kwenye 10 kGy.

Vikwazo vya kimbinu na kuripoti

• Hali moja kuu ya mionzi: Ulinganisho mkuu unategemea dozi ya jumla ya ionization ya mionzi ya X ya 10 kGy.
• Dirisha la muda la post-irradiation: Uainishaji uliendelea kwa takribani miezi miwili, na chanzo kinaeleza kuwa athari za annealing asilia zinaweza kuwa zimejumuishwa katika matokeo.
• Udhibiti wa annealing: Hakuna itifaki tofauti ya annealing iliyodhibitiwa iliyotumika.
• Kutokuwa na uhakika wa dozi: Urekebishaji wa irradiator na beam uniformity zimetajwa kama vyanzo vya kutokuwa na uhakika wa kimfumo, lakini hakuna bajeti ya namba ya kosa iliyotolewa.
• Unene wa sensa: Sehemu ya mbinu inataja sensa zenye unene tofauti, lakini hairipoti unene kwa namba wala matokeo tofauti yanayotegemea unene.
• Uchambuzi wa kitakwimu: Utafiti hutumia hasa usambazaji, wastani, mikengeuko ya kawaida, ramani na mielekeo ya kulinganisha; hakuna p-value, masafa ya kujiamini au jaribio la dhana lililoripotiwa kando kwa matokeo makuu ya radiation.
• Vigezo vya fit ya mkunjo wa S: Grafu ya mfano inaonyesha vigezo vya fit \(p_0\), \(p_1\) na \(p_2\), lakini chanzo hakifafanui kando maana ya kimwili ya kila moja ya alama hizi tatu katika maandishi. Verianla haikadirii ulinganifu huo.

Ujumbe wa kihandisi wa vitendo wa utafiti

Katika elektroniki ya detekta, ustahimilivu wa mionzi hauwezi kupunguzwa hadi swali la “je, chipu inafanya kazi?”. Threshold, noise, usawiano na uwezo wa kurekebishwa lazima vitathminiwe pamoja. Katika utafiti huu, licha ya kusogea kwa hatua ya kazi ya threshold baada ya 10 kGy ya mionzi ya X, noise ilibaki kwa kiasi kikubwa thabiti na maeneo ya kazi yanayoweza kutumika yalihifadhiwa kupitia mipangilio ya DAC.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba hasa ITHR ni njia muhimu ya udhibiti kwa marekebisho baada ya mionzi. Hata hivyo, mipangilio bora ya DAC itakayotumika katika jaribio halisi la kiongeza kasi inahitaji kuthibitishwa kando chini ya historia halisi ya mionzi ya detekta husika, halijoto, unene wa sensa, hali za bias na mahitaji ya ufanisi wa majaribio.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Performance of Monolithic CMOS Pixel Sensors Under X-Rays

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

Mpangilio wa waandishi: Mohammad Mobassir Ameen → Ganapati Dash → Anushree Vijay → Theertha Chembakan → Prafulla Kumar Behera.

Waandishi wa mawasiliano: Mohammad Mobassir Ameen na Ganapati Dash.

Mchango sawa: Hakuna taarifa ya uandishi wa kwanza wa pamoja au mchango sawa iliyobainishwa katika chanzo.

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

Jarida: Physics.

Sehemu: Detectors and Instruments.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / namba ya makala: 8(3), 62.

DOI: 10.3390/physics8030062.

Tarehe ya kuwasilisha: 20 Mei 2026.

Tarehe ya marekebisho: 9 Julai 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 23 Julai 2026.

Tarehe ya kuchapishwa: 21 Agosti 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio iliyopitiwa na wenzao; elektroniki ya detekta ya fizikia ya nishati ya juu na uainishaji wa ustahimilivu wa mionzi.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Teknolojia kuu ya sensa: Sensa ya pikseli ya CMOS monolitiki ya kizazi cha pili ya familia ya MALTA; mchakato wa TowerJazz 180 nm CMOS uliorekebishwa.

Mbinu kuu ya majaribio: Skani za threshold/noise zinazotegemea DAC, uchambuzi wa mkunjo wa S wa pikseli, urekebishaji wa charge injection na ulinganisho wa kabla/baada ya uangazishaji wa mionzi ya X wa 10 kGy XRad160.

Programu ya vipimo: Mfumo wa programu wa MALTA; C++ na Python3.

Vifaa vya usomaji: Mfumo wa tathmini unaotegemea FPGA; Kintex-7 FPGA, kadi ya KC705 na kiunganishi cha FMC.

Kifaa cha kuangazia: PRECISION XRad160, shabaha ya tungsten.

Dozi ya jumla: Mionzi ya X ya 10 kGy.

Kasi ya dozi: Takribani 12,7 Gy/dakika.

Umbali wa chanzo–sampuli: 30 cm.

Halijoto ya kipimo: 16 ± 1 °C.

Post-irradiation annealing: Hakuna mchakato maalumu wa annealing uliodhibitiwa uliofanywa. Uainishaji baada ya mionzi uliendelea kwa takribani miezi miwili, na chanzo kimeeleza kuwa athari za annealing asilia huenda zimejumuishwa katika matokeo.

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

Upatikanaji wa data: Seti za data zilizozalishwa/kuchanganuliwa katika utafiti zinaweza kupatikana kutoka kwa waandishi wa mawasiliano kwa ombi linalofaa. Kwa kuwa ukubwa wa data uko katika kiwango cha terabyte, data haijawekwa kwenye hazina ya wazi.

Shukrani: Waandishi wanaishukuru CERN na CERN Experimental Physics Department kwa msaada na mwongozo.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi. Imeelezwa kuwa wafadhili hawakuwa na jukumu katika muundo wa utafiti, ukusanyaji/uchambuzi/ufasiri wa data, uandishi wa makala au uamuzi wa kuchapisha.

Taarifa ya DURC: Chanzo kinaainisha kazi hii kama utafiti unaolenga maendeleo ya detekta za chembe katika fizikia ya nishati ya juu; kinakubali uwezekano wa dual-use na kinaeleza kuwa kanuni husika za kimaadili, kitaifa na kimataifa zilifuatwa.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana M.M.A., G.D. na P.K.B.; mbinu M.M.A. na G.D.; uthibitishaji na uchambuzi rasmi M.M.A. na G.D.; utafiti M.M.A., G.D., A.V. na T.C.; mpangilio wa jaribio G.D. na A.V.; ukusanyaji wa data M.M.A., G.D., A.V. na T.C.; rasilimali P.K.B.; usimamizi wa data M.M.A. na G.D.; rasimu ya kwanza M.M.A. na G.D.; mapitio/uhariri M.M.A., G.D. na P.K.B.; usimamizi, uongozi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili P.K.B. kama ilivyoripotiwa.

Dokezo la uonyeshaji ndani ya chanzo: Hatua ya pikseli ya kizazi cha kwanza imeandikwa kama takribani 36,4 × 36,4 µm², ilhali katika sentensi inayosema kizazi cha pili kimehifadhi ukubwa huohuo wa pikseli, uonyeshaji wa “36,4 µm²” umetumiwa. Verianla haijaandika upya thamani ya pili kimyakimya.

Taarifa inayokosekana ya reproducibility: Chanzo kinaeleza kuwa skani za DAC zilifanywa kwenye sensa zenye unene tofauti, lakini hakiripoti kwa kina thamani za unene zilizotumiwa katika utafiti huu.

Kikomo cha kutokuwa na uhakika wa dozi: Ingawa athari za calibration na beam-uniformity zimeripotiwa kama vyanzo vya kutokuwa na uhakika wa kimfumo, thamani ya namba ya kutokuwa na uhakika wa jumla wa dozi haijatolewa.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Makala inaainisha tabia ya threshold na noise chini ya dozi ya jumla ya ionization ya mionzi ya X ya 10 kGy. Matokeo haya pekee si ushahidi kamili wa ustahimilivu wa mionzi kwa maeneo yote ya mionzi ya viongeza kasi, utaratibu wote wa non-ionizing damage, au muda wote wa huduma wa sensa.