Сенсори пикселии монолитии CMOS — технологияи детектори пайгирии зарраҳо мебошад, ки минтақаи кремнийи ҳискунандаи заряди электрикии тавлидкардаи зарраро бо электроникаи хондани қисми пеши пиксел дар ҳамон сохтори чипи CMOS муттаҳид мекунад. Ин таҳқиқот танзимоти threshold-и қисми пеш ва садои электронии сенсори пикселии монолитии CMOS-и насли дуюми лоиҳаи MALTA-ро омӯхта, пас аз дучор кардани сенсор ба вояи умумии ионизонии 10 kGy рентген ҳамон тавсифкуниро такрор кардааст. Саволи асосӣ ин аст, ки танзимоти табдилдиҳандаи рақамӣ-аналогӣ (DAC) бо номи ITHR, IDB ва ICASN threshold ва садоро чӣ гуна тағйир медиҳанд ва ин рафтор пас аз вояи баланди рентген то чӣ андоза нигоҳ дошта мешавад.

Сенсори насли дуюми омӯхташуда бо технологияи TowerJazz 180 nm CMOS истеҳсол шуда, матритсаи 224 × 512 пиксел ва майдони фаъоли 20,2 × 10,1 mm² дорад. Манбаъ қадами пикселро дар насли қаблӣ тақрибан 36,4 × 36,4 µm² нишон медиҳад ва мегӯяд, ки дар насли дуюм ҳамон андозаи пиксел нигоҳ дошта шудааст. Дар насли дуюм идоракунии асосёфта ба shift register, қисми пеши ҳалқаи кушода барои садои паст ва ихчамӣ, транзисторҳои multi-cascode барои афзоиши gain, шинаи додаҳои 37 bit, сабти идоракунии 4322 bit ва хондани асосёфта ба Kintex-7 FPGA/KC705 истифода мешаванд.

Дар нуқтаи кории намунавии ITHR = 20, IDB = 80 ва ICASN = 8 миёнаи тақсимоти threshold-и пиксел тақрибан 367 e⁻ ва инҳирофи стандартӣ тақрибан 13 e⁻ ёфт шудааст. Дар тамоми матритсаи пиксел сохторҳои равшани нуқсони маҳаллӣ дида нашудаанд ва гузориш шудааст, ки тақсимоти threshold асосан якхела аст. Барои тақсимоти садо дар ҳамин танзимоти намунавӣ манбаъ миёнаи тақрибан 11,8 e⁻ ва инҳирофи стандартии 2,83 e⁻-ро нишон медиҳад.

Сканҳои DAC нишон медиҳанд, ки қимати threshold аз ҳама бештар аз ҷониби ITHR идора мешавад. Бо зиёд шудани ITHR threshold қавӣ ва тақрибан хаттӣ меафзояд. ICASN барои threshold танзими иловагии нозук медиҳад; IDB низ ба threshold таъсир мекунад, аммо дар фазои кории омӯхташуда мисли ITHR ҳукмрон нест. Пас аз шуоъдиҳӣ қиматҳои threshold ба таври низомманд ба сатҳҳои пасттар кӯчидаанд; махсусан дар конфигуратсияҳои ITHR-и паст ва threshold-и паст тағйирот калонтар буд. Дар баъзе сканҳо бузургии тағйироти мутлақи threshold ба сатҳи тақрибан 80–90 e⁻ мерасад. Бо вуҷуди ин, якхелагии тақсимоти threshold аз пиксел ба пиксел асосан нигоҳ дошта шудааст.

Рафтори садо аз threshold фарқ мекунад. Тағйироти ICASN, IDB ва ITHR садоро танҳо ба андозаи маҳдуд тағйир додаанд; пас аз шуоъдиҳӣ низ афзоиши умумии садо хурд мондааст. Манбаъ дар сканҳои ICASN тағйироти тақрибан 1–2 e⁻ ва дар сканҳои IDB тақрибан 2–3 e⁻-ро зикр мекунад. Ҳамин тавр, минтақаи васеи корӣ вуҷуд дорад, ки threshold паст таъмин мешавад, аммо садо дар сатҳи қобили қабул мемонад. Бо ин ҳама, таҳқиқот танҳо шароити вояи умумии ионизонии 10 kGy рентгенро месанҷад; натиҷаҳоро ба ҳамаи намудҳои зарраҳо, тамоми давраи кори HL-LHC ё ҳар механизми осеби радиатсионӣ худкор умумӣ кардан мумкин нест.

Сенсори Пикселии Монолитии CMOS Чист?

Сенсори пикселии монолитии CMOS детектори пикселиест, ки ҳаҷми ҳискунанда ва электроникаи аналогӣ/рақамии қисми пеш дар як сохтори кремнийӣ муттаҳид шудаанд. Ин равиши ҳамгирошуда нисбат ба сохторҳое, ки сенсори ҷудогона ва чипи хондан бо bump-bonding пайваст мешаванд, метавонад буҷети маводро кам кунад; дар равиши depleted monolithic active pixel sensor, яъне DMAPS, интиқолдиҳандагони заряд дар минтақаи кремнийи пурра ё қисман depletionшуда тавассути drift ҷамъ шуда, сигнали зуд ва устувории радиатсионӣ ҳадаф қарор мегиранд.

Дар физикаи зарраҳои энергияи баланд барои дақиқ муайян кардани мавқеи гузаштани зарра аз детектор шумораи зиёди пикселҳои хурд истифода мешаванд. Азбаски дар шитобдиҳандаҳои ояндаи дорои luminosity баланд суръати зарраҳо ва сатҳи радиатсия меафзоянд, аз сенсори пиксел ҳамзамон чанд хусусият интизор мешавад:

• пиксели хурд ва қобилияти баланди тафриқаи мавқеъ,
• қобилияти кор дар суръатҳои баланди hit,
• садои электронии паст,
• threshold-и ҳискунии ба қадри кофӣ паст ва якхела,
• нигоҳ доштани қобилияти танзим пас аз радиатсия,
• буҷети ками мавод,
• хондани зуд ва самаранок.

Сенсори насли дуюм, ки дар таҳқиқот омӯхта шудааст

Ёддошт оид ба тарзи нишондиҳӣ дар манбаъ: Барои сенсори насли аввал қадами пиксел ба таври равшан ҳамчун \(36.4\times36.4~\mu\mathrm m^2\) навишта шудааст. Ҳангоми гуфта шудани нигоҳ доштани ҳамон андозаи пиксел дар насли дуюм, дар матн танҳо “36.4 µm²” истифода шудааст. Ин тарзи нишондиҳии андоза аз ҷониби Verianla бо тахмин тағйир дода нашудааст.

Параметрҳои DAC-и қисми пеш чӣ кор мекунанд?

DAC, “digital-to-analog converter”, яъне табдилдиҳандаи рақамӣ-аналогӣ мебошад. Баъзе нуқтаҳои кории ҷараён ва шиддат дар занҷири аналогии қисми пеши сенсор тавассути қиматҳои рақамӣ танзим мешаванд. Тағйирёбандаҳои асосии сканшуда дар таҳқиқот ITHR, IDB ва ICASN мебошанд; IBIAS бошад дар қимати 43 доимӣ нигоҳ дошта шудааст.

Системаи тавсифкунии электрикӣ

Сенсор ба carrier board-и махсуси дар CERN тарҳрезишуда пайваст шудааст. Корт LVDD таъминоти рақамии шиддати паст, DVDD таъминоти ядрои рақамӣ, AVDD таъминоти аналогӣ, substrate bias-ҳои PWELL ва SUB ва шиддати истинодии DREF-ро таъмин мекунад.

Carrier board тавассути пайвасти FMC ба корти арзёбии FPGA пайваст мешавад. FPGA конфигуратсия, идоракунӣ ва ҷамъоварии додаҳои сенсорро иҷро мекунад. Иртибот байни FPGA ва компютер тавассути Ethernet таъмин мешавад. Система аз панҷ манбаи мустақили қувваи шиддати паст ғизо гирифта, калибркунии шиддат/ҷараён бо мултиметри рақамии дақиқи баланд назорат шудааст.

Амалиёти ҷамъоварии додаҳо ва идоракунӣ бо истифода аз чаҳорчӯбаи нармафзории MALTA, ки бо C++ ва Python3 таҳия шудааст, иҷро шудаанд. Нармафзор танзими register-ҳои чип, гузаронидани сканҳои DAC ва хондани ҷавобҳои пикселро таъмин мекунад.

Дар ҳамаи ченкуниҳои электрикӣ ҳарорат:

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

нигоҳ дошта шудааст. Ҳадаф кам кардани тағйироти садои электронӣ ва threshold dispersion-и вобаста ба ҳарорат ва муқоисашаванда гардондани ченкуниҳои пеш ва пас аз шуоъдиҳӣ мебошад.

Каҷи S Threshold ва Садои Пикселро Чӣ Гуна Муайян Мекунад?

Каҷи S каҷи гузаришест, ки ҳангоми ба пиксел додани зарядҳои маълум ва тадриҷан афзояндаи инъексионӣ чанд маротиба ҷавоб додани пикселро нишон медиҳад; дар заряди паст эҳтимоли ҷавоб кам аст, аммо вақте заряд ба минтақаи threshold мерасад, ҷавоб зуд меафзояд. Таҳқиқот каҷи S-и ҳар пикселро fit карда, қимати самарабахши threshold-ро мебарорад ва паҳноии гузариши каҷро ҳамчун ченаки садои электронӣ дар шакли equivalent noise charge, яъне ENC истифода мебарад.

Заряди инъексияшуда

Заряди электрикие, ки дар таҳқиқот ба пиксел дода мешавад:

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

ҳисоб карда мешавад.

Дар ин ҷо:

• \(Q_{\mathrm{inj}}\): заряди электрикии ба пиксел инъексияшуда мебошад ва воҳидаш coulomb аст,
• \(C_{\mathrm{inj}}\): capacitance-и дохилии инъексия мебошад,
• \(V_H\): сатҳи баланди шиддати импулси инъексия мебошад,
• \(V_L\): сатҳи пасти шиддати импулси инъексия мебошад.

Capacitance-и инъексияе, ки манбаъ истифода кардааст:

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

мебошад. “aF” маънои attofarad-ро дорад:

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

Дар формула бо зиёд шудани фарқи шиддат заряди инъексияшуда хаттӣ меафзояд. Ҳамин тавр, дар фарқи шиддати доимӣ агар capacitance-и инъексия зиёд шавад, заряди додашуда низ зиёд мешавад.

Эквиваленти электрон чӣ гуна ёфт мешавад?

Заряди электрикӣ ба чанд заряди элементарии электрон мувофиқат мекунад:

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

ҳисоб карда мешавад.

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

андозаи асосии заряди як электрон аст. Азбаски воҳиди сурат coulomb мебошад, пас аз тақсим натиҷа ҳамчун эквиваленти электрон ифода мешавад. Ибораи “367 e⁻ threshold” дар мақола чунин эквиваленти заряд аст; ин маънои онро надорад, ки дар сенсор аз ҷиҳати физикӣ маҳз 367 электрон вуҷуд дорад, балки нишон медиҳад, ки заряди сигнали лозим барои trigger тақрибан ба 367 заряди элементарӣ мувофиқ аст.

Нуқтаи кории намунавии пиксел

Манбаъ аввалин санҷиши муфассали threshold-ро:

• ITHR = 20,
• IDB = 80,
• ICASN = 8

дар ин танзимот иҷро мекунад.

Матритсаи пурраи 224 × 512 дорои 114.688 мавқеи геометрии пиксел аст. Дар расмҳои манбаъ 114.302 сабт гузориш шудааст ва гуфта мешавад, ки минтақаҳои сафед пикселҳоеро нишон медиҳанд, ки қиматҳои threshold/noise-и онҳо нишон дода нашудаанд. Азбаски манбаъ ин минтақаҳои сафедро худкор ҳамчун “пиксели вайрон” тасниф намекунад, Verianla низ чунин тафсир намедиҳад.

Якхелагии threshold чӣ маъно дорад?

Якхелагии threshold нишон медиҳад, ки зарядҳои барои trigger шудани пикселҳои гуногун дар як танзими DAC лозимбуда то чӣ андоза ба ҳам наздиканд. Агар баъзе пикселҳо threshold-и хеле паст ва баъзеҳо хеле баланд дошта бошанд, як сигнали физикии зарра метавонад дар минтақаҳои гуногуни матритса самаранокии гуногуни ҳискуниро ба вуҷуд орад.

Миёнаи тақрибан 367 e⁻ ва инҳирофи стандартии 13 e⁻ дар танзими намунавӣ аз ҷониби манбаъ ҳамчун тақсимоти танг ва якхела арзёбӣ мешавад. Гузориш шудааст, ки дар харитаи дуандоза сохторҳои калони маҳаллии threshold ё минтақаҳои равшани нуқсондор дида нашудаанд.

Системаи шуоъдиҳии рентгенӣ

Шуоъдиҳӣ бо системаи PRECISION XRad160 дар IIT Madras High Energy Physics Laboratory анҷом дода шудааст. Система ҳадафи волфрамиро истифода мебарад ва дар шиддати найча то 160 kV метавонад спектри васеи bremsstrahlung-и рентгениро тавлид кунад.

10 kGy чӣ маъно дорад?

Gray (Gy) воҳиди вояи ҷаббидашуда аст, ки ба як joule энергияе мувофиқ мебошад, ки радиатсияи ионизонӣ ба як килограмм модда мегузаронад:

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

Бинобар ин:

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

Ин таъриф шарҳи омӯзишии воҳиди вояи истифодашуда мебошад. Мақола вояи умумии 10 kGy рентгенро ҳамчун шарти таҷриба истифода мебарад.

Номуайянии воя

Манбаъ мегӯяд, ки вояи додашуда аз суръати калибршудаи воя ва давомнокии таъсир муайян шудааст; номуайяниҳои систематикӣ махсусан аз калибркунии irradiator ва тағйироти эҳтимолии якхелагӣ дар майдони шуоъ сар мезананд. Аммо бузургии ададии ин номуайянии систематикӣ бо фоиз ё Gy гузориш нашудааст. Аз ин рӯ Verianla барои номуайянии воя ҳошияи хатое, ки дар манбаъ нест, намесозад.

Мавзӯи annealing пас аз шуоъдиҳӣ

Пас аз шуоъдиҳӣ раванди махсуси annealing анҷом дода нашудааст. Маъракаи тавсифкунии электрикии сенсор пас аз радиатсия тақрибан ду моҳ идома карда, дастгоҳ дар ин муддат дар шароити назоратшавандаи 16 ± 1 °C нигоҳ дошта шудааст.

Манбаъ равшан мегӯяд, ки натиҷаҳои гузоришшуда метавонанд таъсирҳои табиии “room-temperature annealing”-ро, ки дар ин давра рух додаанд, дар бар гиранд. Аз ин рӯ ҳолати ченшудаи “пас аз шуоъдиҳӣ” набояд ҳамчун мафҳуме айнан баробар ба ҳолати осеби сифр-вақт фавран пас аз шуоъдиҳӣ тафсир шавад.

10 kGy Рентген Ба Қиматҳои Threshold ва Noise Чӣ Гуна Таъсир Кард?

Шуоъдиҳии 10 kGy рентген threshold-и сенсорро дар тамоми фазои DAC-и омӯхташуда ба таври низомманд ба қиматҳои пасттар кӯчонд ва таъсир махсусан дар конфигуратсияҳои ITHR-и паст ва threshold-и паст калонтар буд; ҳамзамон якхелагии threshold-и матритсаи пиксел асосан нигоҳ дошта шуд ва noise-и электронӣ танҳо афзоишҳои хурд нишон дод. Бинобар ин таъсири радиатсия дар таҳқиқот асосан ҳамчун кӯчиши нуқтаи кории threshold зоҳир шуд ва дар иҷрои noise бадшавии ҳамандоза дида нашуд.

Скани ICASN

Бо зиёд шудани ICASN threshold-и миёна ҳам дар сенсори ношуоъдида ва ҳам шуоъдида кам мешавад. Ин рафтор ба нақши электронии ICASN, ки amplifier baseline-ро тағйир медиҳад, мувофиқ аст.

Дар тамоми диапазони ICASN threshold-и сенсори шуоъдида аз сенсори ношуоъдида пасттар ёфт шудааст. Бо вуҷуди ин, паҳнои тақсимотҳое, ки бо error bar нишон дода шудаанд, монанд монданд ва манбаъ инро чунин тафсир кардааст, ки якхелагии threshold аз сабаби шуоъдиҳӣ ба таври назаррас вайрон нашудааст.

Скани ITHR–IDB

Ҳангоми доимӣ нигоҳ доштани ICASN = 4, ITHR ва IDB якҷо скан шудаанд. Бо зиёд шудани ITHR threshold равшан ва монотонӣ боло меравад, дар ҳоле ки тағйирот дар самти IDB заифтар аст.

Дар қиматҳои пасти ITHR бузургии мутлақи тағйироти threshold аз радиатсия тақрибан:

\[ 80\text{–}90~e^- \]

то ин сатҳ расидааст.

Қимати 80–90 e⁻ дар ин ҷо бузургии тағйироти мутлақ аст. Муқоисаи умумии таҳқиқот нишон медиҳад, ки пас аз шуоъдиҳӣ threshold ба қиматҳои пасттар кӯчидааст; бинобар ин ибораи “афзоиши 80–90 e⁻”-ро бевосита ҳамчун афзоиши аломатдори threshold-и шуоъдида тафсир кардан дуруст нест.

Дар ҳамон харитаи ITHR–IDB тағйироти нисбӣ дар қисми зиёди фазои параметр тақрибан аз %25 кам мемонад. Бузургтарин инҳирофҳо дар минтақаи ITHR-и пастанд.

Скани ITHR–ICASN

Ҳангоми доимӣ нигоҳ доштани IDB = 80, дар самти ITHR боз градиенти равшани threshold дида шудааст, таъсири ICASN бошад дар сатҳи миёна мондааст. Пас аз шуоъдиҳӣ кӯчиши систематикии threshold дар ҳамаи шароити омӯхташудаи IDB дида мешавад.

Дар ин скан гузориш шудааст, ки тағйироти нисбӣ дар қисми зиёди фазои параметр тақрибан аз %20 кам мондааст.

Скани IDB–ICASN

Вақте ITHR = 100 доимӣ аст, таъсири IDB ва ICASN аз таъсири худи ITHR заифтар мебошад. Тағйироти мутлақи threshold вобаста ба комбинатсияи танзимот боз метавонад ба сатҳи тақрибан 80–90 e⁻ бирасад.

Гузориш шудааст, ки тағйироти нисбии threshold дар аксари ин минтақаҳо тақрибан аз %15 кам аст ва дар тарафи IDB-и паст инҳирофҳои калонтар дида мешаванд.

Чаро ITHR муҳимтарин параметри танзим аст?

Дар манбаъ скани ITHR тақрибан диапазони 20–120-ро фаро мегирад. Бо зиёд шудани ITHR threshold дар диапазони васеи садҳо электрон қавӣ ва қариб хаттӣ меафзояд, дар ҳоле ки noise хеле камтар тағйир меёбад. Аз ин рӯ ITHR танҳо параметри хурди ислоҳӣ нест, балки ҳамчун идоракунии асосие арзёбӣ шудааст, ки миқёси глобалии threshold-и сенсорро муайян мекунад.

ICASN имкон медиҳад threshold дақиқтар танзим шавад. IDB бошад ба нуқтаи кории discriminator таъсир карда, ба кӯчиши threshold аз радиатсия саҳм мегузорад; аммо дар натиҷаҳои омӯхташуда параметри ҳукмрон бар threshold-и глобалӣ ITHR аст.

Чаро noise дигар хел рафтор мекунад?

Noise бо equivalent noise charge, ENC, ки аз паҳноии гузариши каҷи S-и пиксел гирифта мешавад, арзёбӣ шудааст. Гарчанде параметрҳои DAC метавонанд threshold-ро дар доираи садҳо электрон тағйир диҳанд, каҷҳои noise хеле ҳамвортар мебошанд.

Натиҷаҳои манбаъ:

• Дар скани ICASN тағйироти noise тақрибан 1–2 e⁻ аст.
• Дар скани IDB тағйирот пас аз шуоъдиҳӣ тақрибан дар 2–3 e⁻ мемонад.
• Бо баланд шудани ITHR дар noise танҳо афзоиши ночиз/кам дида мешавад.
• Паҳншавии тақсимоти noise пеш ва пас аз шуоъдиҳӣ ба ҳам монанд аст.
• Якхелагии noise дар матритсаи пиксел нигоҳ дошта мешавад.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки гарчанде threshold ба радиатсия ва танзимоти DAC ҳассос аст, noise-и электронӣ ба ҳамон андоза тағйир намеёбад.

Чаро тавозуни threshold–noise муҳим аст?

Дар детектори зарраҳо то ҳадди имкон паст танзим кардани threshold метавонад ба ҳис кардани сигналҳои физикии заиф кумак кунад; аммо агар threshold ба noise-и электронӣ хеле наздик оварда шавад, хатари trigger-и бардурӯғ ва кори ноустувор меафзояд. Аз ин рӯ на танҳо “threshold-и аз ҳама паст”, балки тавозуни байни threshold-и кофӣ паст ва noise-и устувор муҳим аст.

Манбаъ бо истифода аз коррелятсияи threshold–noise мегӯяд, ки минтақаи мувофиқтарини корӣ дар қиматҳои миёнаи ITHR ҷойгир аст. Гарчанде конфигуратсияҳои threshold-и хеле паст аз ҷиҳати техникӣ дастрасанд, онҳо нисбат ба шуоъдиҳии рентген тағйироти нисбии калонтар нишон медиҳанд.

Вобастагии threshold shift-и радиатсионӣ ба параметрҳо

Таҳқиқот дар охир фарқи threshold-ҳои сенсори шуоъдида ва ношуоъдида барои ҳар як параметри DAC-ро ҳисоб карда, аз рӯйи ҳамаи конфигуратсияҳои ду параметри боқимонда миёна гирифтааст.

Натиҷа:

• Бо зиёд шудани ITHR threshold shift умуман кам мешавад.
• Вобастагӣ ба ICASN монотонӣ нест; дар қиматҳои миёнаи ICASN максимум дида мешавад.
• IDB низ тағйироти намоён дорад, аммо робитаи оддии монотонӣ вуҷуд надорад.
• Дар байни се параметр равшантарин вобастагии систематикии радиатсионӣ дар ITHR дида мешавад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Ҷараёни таҷриба

1. Сенсори пикселии монолитии CMOS-и насли дуюм ба carrier board-и махсус ва системаи хондани асосёфта ба FPGA пайваст карда шуд.
2. Ҳарорат дар 16 ± 1 °C назорат карда шуд.
3. Ҳангоми доимӣ нигоҳ доштани IBIAS = 43, ITHR, IDB ва ICASN скан шуданд.
4. Барои ҳар пиксел дар зарядҳои гуногуни инъексионӣ ҷавоб гирифта, каҷҳои S сохта шуданд.
5. Аз каҷҳои S threshold-и пиксел ва equivalent noise charge бароварда шуданд.
6. Тақсимоти threshold ва noise пеш аз шуоъдиҳӣ сохта шуданд.
7. Сенсор дар XRad160 бо масофаи 30 cm манбаъ–намуна ба тақрибан 10 kGy рентген дучор карда шуд.
8. Пас аз шуоъдиҳӣ раванди махсуси annealing истифода нашуд.
9. Тавсифкунии электрикӣ дар ҳамон шароити ҳарорати назоратшаванда такрор шуд.
10. Тавсифкунии post-irradiation тақрибан ду моҳ идома кард.
11. Threshold, noise ва коррелятсияҳои threshold–noise пеш ва пас аз шуоъдиҳӣ муқоиса шуданд.
12. Threshold shift-и радиатсионӣ аз рӯйи ITHR, ICASN ва IDB алоҳида таҳлил шуд.

Диапазонҳои DAC-и дар манбаъ омӯхташуда

Диапазонҳои асосие, ки аз нуқтаҳои скани графикҳои манбаъ дида мешаванд:

Ин диапазонҳо аз нуқтаҳои скани графикҳои манбаъ гирифта шудаанд; Verianla дар нуқтаҳои ченнашудаи байни онҳо интерполятсия намекунад.

Натиҷаҳои асосии ададӣ

Натиҷае, ки графикҳои манбаъ якҷо нишон медиҳанд

Арзёбии якҷояи харитаҳои threshold ва графикҳои noise нишон медиҳад, ки рафтори сенсор дар ду меҳвари гуногун ҷудо мешавад. Threshold аз нуқтаи кории электронӣ ва радиатсия сахт бозтанзим шуда метавонад, дар ҳоле ки noise нисбатан доимӣ мемонад. Ин фарқ нишон медиҳад, ки пас аз шуоъдиҳӣ сенсор дар айнан ҳамон нуқтаи кории электронӣ намемонад, аммо бо DAC retuning минтақаҳои кории қобили истифода нигоҳ дошта мешаванд.

Ба ибораи дигар, натиҷаи “robustness”-и таҳқиқот маънои “радиатсия дар сенсор ҳеҷ тағйирот ба вуҷуд наовард”-ро надорад. Манбаъ тағйироти мустақим ва ченшавандаи threshold-ро нишон медиҳад. Тафсири устуворӣ ба он асос ёфтааст, ки бо вуҷуди ин тағйирот якхелагии threshold ва кори noise нигоҳ дошта шуда, барои сенсор минтақаи кории танзимшаванда боқӣ мемонад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Threshold-и сенсори пикселии монолитии CMOS-и насли дуюм дар тамоми матритсаи пиксел якхелагии баланд нишон медиҳад.
• Дар нуқтаи кории намунавии ITHR = 20, IDB = 80 ва ICASN = 8 threshold дар миқёси тақрибан 367 ± 13 e⁻ аст; дар ин ҷо ±13 e⁻ инҳирофи стандартии тақсимоти дар манбаъ додашударо ифода мекунад.
• ITHR дар байни параметрҳои DAC-и омӯхташуда ба threshold таъсири аз ҳама қавӣ дорад.
• ICASN ба танзими нозуки threshold саҳм мегузорад.
• IDB ба threshold таъсир мекунад, аммо вобастагии глобалӣ аз ITHR заифтар аст.
• Шуоъдиҳии 10 kGy рентген threshold-ро ба таври систематикӣ ба қиматҳои пасттар кӯчондааст.
• Нуқтаҳои кории ITHR-и паст/threshold-и паст ба таъсири шуоъдиҳӣ ҳассостаранд.
• Threshold shift дар баъзе конфигуратсияҳо ҳамчун бузургии мутлақ ба тақрибан 80–90 e⁻ мерасад.
• Якхелагии тақсимоти threshold аз пиксел ба пиксел пас аз шуоъдиҳӣ асосан нигоҳ дошта шудааст.
• Noise ба танзимоти ITHR, IDB ва ICASN мисли threshold сахт вобаста нест.
• Пас аз шуоъдиҳӣ noise танҳо афзоиши маҳдуд нишон додааст.
• Робитаи threshold–noise нишон медиҳад, ки пеш ва пас аз шуоъдиҳӣ минтақаи танзими DAC-и қобили истифода вуҷуд дорад.
• Қиматҳои миёнаи ITHR байни threshold-и ба қадри кофӣ паст ва устувории баландтари радиатсионӣ минтақаи кории мусоид медиҳанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки сенсор нисбат ба ҳамаи намудҳои радиатсия бетағйир аст.
• Натиҷаи 10 kGy рентген ченкунии мустақими таъсирҳои non-ionizing energy loss аз протон, нейтрон, пион ё адрон нест.
• Таҳқиқот нусхаи пурраи лаборатории тамоми давраи кори HL-LHC ё муҳити умумии интизории радиатсионӣ нест.
• Гуфтан мумкин нест, ки threshold пас аз шуоъдиҳӣ тағйир накардааст; манбаъ тағйироти систематикиро чен мекунад.
• Гуфтан мумкин нест, ки радиатсия ба noise ҳеҷ таъсир надорад; афзоишҳои хурд, вале ченшаванда вуҷуд доранд.
• Гуфтан мумкин нест, ки threshold-и аз ҳама паст худкор беҳтарин нуқтаи корӣ аст; танзимоти threshold-и паст ба радиатсия ҳассостаранд.
• Хулоса баровардан мумкин нест, ки ҳамаи ғафсиҳои сенсор ҷавоби якхелаи радиатсионӣ медиҳанд; ҳарчанд манбаъ аз “ғафсиҳои гуногун” ёд мекунад, дар ин мақола қиматҳои ададии ғафсӣ ё натиҷаҳои муфассали вобаста ба ғафсӣ гузориш нашудаанд.
• Қиматҳои post-irradiation қиматҳои яклаҳзаинае нестанд, ки фавран пас аз шуоъдиҳӣ гирифта шудаанд; маъракаи ченкунӣ тақрибан ду моҳ идома кардааст.
• Азбаски манбаъ интервали эътимоди ададии номуайянии вояро намедиҳад, ба қимати 10 kGy аз ҷониби Verianla қимати иловагии ± хато таъин карда намешавад.

Маҳдудиятҳои методӣ ва гузоришӣ

• Як сенарияи асосии радиатсионӣ: Муқоисаи асосӣ ба вояи умумии ионизонии 10 kGy рентген такя мекунад.
• Равзанаи вақти post-irradiation: Тавсифкунӣ тақрибан ду моҳ идома кардааст ва манбаъ мегӯяд, ки таъсирҳои annealing-и табиӣ метавонанд ба натиҷаҳо дохил шуда бошанд.
• Назорати annealing: Протоколи алоҳидаи annealing-и назоратшаванда татбиқ нашудааст.
• Номуайянии воя: Калибркунии irradiator ва beam uniformity ҳамчун манбаъҳои номуайянии систематикӣ зикр шудаанд, аммо буҷети ададии хато дода нашудааст.
• Ғафсии сенсор: Қисми усул аз сенсорҳои ғафсиашон гуногун ёд мекунад, аммо ғафсиҳои ададӣ ва натиҷаҳои алоҳидаи вобаста ба ғафсӣ гузориш намешаванд.
• Хулосабарории оморӣ: Таҳқиқот асосан тақсимотҳо, миёнаҳо, инҳирофҳои стандартӣ, харитаҳо ва тамоюлҳои муқоисавиро истифода мебарад; барои натиҷаҳои асосии radiation p-value, интервали эътимод ё санҷиши гипотезаи алоҳида гузориш нашудааст.
• Параметрҳои fit-и каҷи S: Дар графики намунавӣ параметрҳои fit-и \(p_0\), \(p_1\) ва \(p_2\) нишон дода шудаанд, аммо манбаъ мувофиқати физикии ҳар яке аз ин се рамзро дар матн алоҳида муайян намекунад. Verianla ин мувофиқатро тахмин намекунад.

Паёми амалии муҳандисии таҳқиқот

Дар электроникаи детектор устувории радиатсионӣ набояд танҳо ба саволи “оё чип кор мекунад?” маҳдуд шавад. Threshold, noise, якхелагӣ ва қобилияти танзим бояд якҷо арзёбӣ шаванд. Дар ин таҳқиқот, сарфи назар аз кӯчиши нуқтаи кории threshold пас аз 10 kGy рентген, noise асосан доимӣ монд ва тавассути танзимоти DAC минтақаҳои кории қобили истифода нигоҳ дошта шуданд.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки махсусан ITHR барои бозтанзим пас аз радиатсия воситаи муҳими идоракунӣ аст. Бо вуҷуди ин, танзимоти оптималии DAC барои таҷрибаи воқеии шитобдиҳанда бояд дар шароити таърихи воқеии радиатсионӣ, ҳарорат, ғафсии сенсор, шароити bias ва талаботи самаранокии таҷрибавии ҳамон детектор алоҳида тасдиқ шаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: Performance of Monolithic CMOS Pixel Sensors Under X-Rays

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

Тартиби муаллифон: Mohammad Mobassir Ameen → Ganapati Dash → Anushree Vijay → Theertha Chembakan → Prafulla Kumar Behera.

Муаллифони масъул: Mohammad Mobassir Ameen ва Ganapati Dash.

Саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти ҳаммуаллифии якум ё саҳми баробар муайян нашудааст.

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

Маҷалла: Physics.

Бахш: Detectors and Instruments.

Ношир: MDPI.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 8(3), 62.

DOI: 10.3390/physics8030062.

Санаи пешниҳод: 20 Май 2026.

Санаи бознигарӣ: 9 Июл 2026.

Санаи қабул: 23 Июл 2026.

Санаи нашр: 21 Август 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҷрибавии таҳқиқотии рецензияшуда; электроникаи детектор дар физикаи энергияи баланд ва тавсифкунии устувории радиатсионӣ.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Технологияи асосии сенсор: Сенсори пикселии монолитии CMOS-и насли дуюми оилаи MALTA; раванди тағйирдодашудаи TowerJazz 180 nm CMOS.

Усули асосии таҷрибавӣ: Сканҳои threshold/noise-и асосёфта ба DAC, таҳлили каҷи S-и пиксел, калибркунии charge injection ва муқоисаи пеш/пас аз шуоъдиҳии 10 kGy XRad160 рентген.

Нармафзори ченкунӣ: Чаҳорчӯбаи нармафзории MALTA; C++ ва Python3.

Таҷҳизоти хондан: Системаи арзёбии асосёфта ба FPGA; Kintex-7 FPGA, корти KC705 ва пайвасти FMC.

Дастгоҳи шуоъдиҳӣ: PRECISION XRad160, ҳадафи волфрамӣ.

Вояи умумӣ: 10 kGy рентген.

Суръати воя: Тақрибан 12,7 Gy/дақиқа.

Масофаи манбаъ–намуна: 30 cm.

Ҳарорати ченкунӣ: 16 ± 1 °C.

Post-irradiation annealing: Раванди махсуси annealing-и назоратшаванда анҷом дода нашудааст. Тавсифкунии пас аз радиатсия тақрибан ду моҳ идома карда, манбаъ гуфтааст, ки таъсирҳои annealing-и табиӣ метавонанд ба натиҷаҳо дохил шуда бошанд.

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

Дастрасии додаҳо: Маҷмӯаҳои додаҳои дар таҳқиқот тавлидшуда/таҳлилшуда бо дархости асоснок аз муаллифони масъул дастрас мебошанд. Азбаски ҳаҷми додаҳо дар миқёси терабайт аст, онҳо дар репозиторияи кушода бойгонӣ нашудаанд.

Сипосгузорӣ: Муаллифон ба CERN ва CERN Experimental Physics Department барои дастгирӣ ва роҳнамоӣ изҳори сипос мекунанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор доштаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад. Гузориш шудааст, ки маблағгузорон дар тарҳи таҳқиқот, ҷамъоварӣ/таҳлил/тафсири додаҳо, навиштани мақола ё қарор дар бораи нашр нақш надоштаанд.

Изҳороти DURC: Манбаъ таҳқиқотро ҳамчун кори ба рушди детектори зарраҳо дар физикаи энергияи баланд равонашуда тасниф мекунад; потенсиали dual-use-ро эътироф мекунад ва мегӯяд, ки қоидаҳои дахлдори ахлоқӣ, миллӣ ва байналмилалӣ риоя шудаанд.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия M.M.A., G.D. ва P.K.B.; усул M.M.A. ва G.D.; тасдиқ ва таҳлили формалӣ M.M.A. ва G.D.; таҳқиқот M.M.A., G.D., A.V. ва T.C.; дастгоҳи таҷрибавӣ G.D. ва A.V.; ҷамъоварии додаҳо M.M.A., G.D., A.V. ва T.C.; захираҳо P.K.B.; курасияи додаҳо M.M.A. ва G.D.; тарҳи аввал M.M.A. ва G.D.; бознигарӣ/таҳрир M.M.A., G.D. ва P.K.B.; назорат, идоракунии лоиҳа ва ҷалби маблағгузорӣ P.K.B. гузориш шудаанд.

Ёддошти нишондиҳии дохили манбаъ: Қадами пиксели насли аввал тақрибан 36,4 × 36,4 µm² навишта шудааст, дар ҳоле ки дар ҷумлаи гуфтаи нигоҳ доштани ҳамон андозаи пиксел дар насли дуюм нишондиҳии “36,4 µm²” истифода шудааст. Verianla қимати дуюмро хомӯшона аз нав нанавиштааст.

Маълумоти нокифояи такрорпазирӣ: Манбаъ мегӯяд, ки сканҳои DAC дар сенсорҳои ғафсиашон гуногун гузаронида шудаанд, аммо қиматҳои ғафсии истифодашударо дар ин таҳқиқот муфассал гузориш намекунад.

Ҳадди номуайянии воя: Гарчанде таъсирҳои калибркунӣ ва beam-uniformity ҳамчун манбаъҳои номуайянии систематикӣ гузориш шудаанд, номуайянии ададии умумии воя дода нашудааст.

Ҳадди асосии тафсир: Мақола рафтори threshold ва noise-ро дар зери вояи умумии ионизонии 10 kGy рентген тавсиф мекунад. Ин натиҷа худ аз худ далели пурраи устувории радиатсионӣ барои ҳамаи майдонҳои радиатсионии шитобдиҳанда, механизмҳои non-ionizing damage ё тамоми давраи кори сенсор нест.