Monolitik CMOS piksel sensori, zarracha hosil qilgan elektr zaryadini aniqlaydigan kremniy sohasi bilan pikselning oldingi qism o‘qish elektronikasini ayni CMOS chip tuzilmasida birlashtiradigan zarrachalarni kuzatish detektori texnologiyasidir. Ushbu tadqiqot MALTA loyihasidagi ikkinchi avlod monolitik CMOS piksel sensorining oldingi qism threshold sozlamalari va elektron shovqinini o‘rgangan, sensorni 10 kGy umumiy ionlashtiruvchi rentgen dozasiga duchor qilgandan so‘ng xuddi shu xarakterizatsiyani takrorlagan. Asosiy savol ITHR, IDB va ICASN deb nomlangan raqamli-analog o‘zgartirgich (DAC) sozlamalari threshold va shovqinni qanday o‘zgartirishi hamda bu xatti-harakat yuqori rentgen dozasidan keyin qay darajada saqlanishidir.

O‘rganilgan ikkinchi avlod sensor TowerJazz 180 nm CMOS texnologiyasida ishlab chiqarilgan bo‘lib, 224 × 512 piksel matritsasi va 20,2 × 10,1 mm² faol maydonga ega. Manba avvalgi avlodda piksel qadamini taxminan 36,4 × 36,4 µm² deb beradi va ikkinchi avlodda ayni piksel o‘lchami saqlanganini bildiradi. Ikkinchi avlodda shift register asosidagi boshqaruv, past shovqin va ixchamlik uchun ochiq konturli oldingi qism, kuchaytirishni oshiruvchi multi-cascode tranzistorlar, 37 bit ma’lumot shinasi, 4322 bit boshqaruv registri va Kintex-7 FPGA/KC705 asosidagi o‘qish qo‘llanadi.

Namunaviy ITHR = 20, IDB = 80 va ICASN = 8 ish nuqtasida piksel threshold taqsimotining o‘rtacha qiymati taxminan 367 e⁻, standart og‘ishi esa taxminan 13 e⁻ deb topilgan. Piksel matritsasi bo‘ylab aniq mahalliy nuqson tuzilmalari kuzatilmagan va threshold taqsimoti katta darajada bir xil ekani xabar qilingan. Xuddi shu namunaviy sozlamadagi shovqin taqsimoti uchun manba taxminan 11,8 e⁻ o‘rtacha qiymat va 2,83 e⁻ standart og‘ishni ko‘rsatadi.

DAC skanlari threshold qiymati eng kuchli ravishda ITHR tomonidan boshqarilishini ko‘rsatadi. ITHR oshgani sari threshold kuchli va taxminan chiziqli tarzda ortadi. ICASN threshold uchun qo‘shimcha nozik sozlashni ta’minlaydi; IDB ham thresholdga ta’sir qiladi, biroq o‘rganilgan ish sohasida ITHR kabi ustun emas. Nurlantirishdan keyin threshold qiymatlari tizimli ravishda pastroq darajalarga siljigan; ayniqsa past ITHR va past-threshold konfiguratsiyalarida o‘zgarish kattaroq bo‘lgan. Ayrim skanlarda mutlaq threshold o‘zgarishining kattaligi taxminan 80–90 e⁻ darajasiga yetadi. Shunga qaramay, threshold taqsimotining pikseldan pikselga bir xilligi katta darajada saqlangan.

Shovqin xatti-harakati thresholddan farq qiladi. ICASN, IDB va ITHR o‘zgarishlari shovqinni faqat cheklangan darajada o‘zgartirgan; nurlantirishdan keyin ham umumiy shovqin ortishi kichik bo‘lib qolgan. Manba ICASN skanlarida taxminan 1–2 e⁻, IDB skanlarida esa taxminan 2–3 e⁻ darajasidagi o‘zgarishlarni qayd etadi. Shu tariqa past threshold ta’minlangan, ammo shovqin maqbul bo‘lib qoladigan keng ish sohasi mavjud. Biroq tadqiqot faqat 10 kGy rentgen umumiy ionlashtiruvchi doza sharoitini sinaydi; natijalarni barcha zarracha turlariga, butun HL-LHC xizmat muddatiga yoki har bir radiatsion shikastlanish mexanizmiga avtomatik umumlashtirib bo‘lmaydi.

Monolitik CMOS Piksel Sensori Nima?

Monolitik CMOS piksel sensori — aniqlash hajmi bilan analog/raqamli oldingi qism elektronikasi bir xil kremniy tuzilmasida integratsiyalangan piksel detektoridir. Ushbu integratsiyalashgan yondashuv alohida sensor va o‘qish chipi bump-bonding orqali birlashtiriladigan tuzilmalarga nisbatan material budjetini kamaytirishi mumkin; depleted monolithic active pixel sensor, ya’ni DMAPS yondashuvida zaryad tashuvchilar to‘liq yoki qisman bo‘shatilgan kremniy sohasida drift orqali yig‘ilib, tez signal va radiatsiyaga chidamlilik ko‘zlanadi.

Yuqori energiyali zarrachalar fizikasida zarrachaning detektordan o‘tgan joyini aniq aniqlash uchun ko‘plab kichik piksellar ishlatiladi. Kelajakdagi yuqori yorqinlikli tezlatgichlarda zarracha tezliklari va radiatsiya darajalari ortgani sabab piksel sensoridan bir vaqtda bir nechta xususiyat kutiladi:

• kichik piksel va yuqori fazoviy ajrata olish qobiliyati,
• yuqori hit tezliklarida ishlay olish,
• past elektron shovqin,
• yetarlicha past va bir xil aniqlash thresholdi,
• radiatsiyadan keyin sozlanish qobiliyatini saqlash,
• past material budjeti,
• tez va samarali o‘qish.

Tadqiqotda o‘rganilgan ikkinchi avlod sensor

Manbadagi ifoda bo‘yicha izoh: Birinchi avlod sensorida piksel qadami aniq \(36.4\times36.4~\mu\mathrm m^2\) shaklida yozilgan. Ikkinchi avlod ayni piksel o‘lchamini saqlagani aytilganda matnda faqat “36.4 µm²” ifodasi ishlatilgan. Ushbu o‘lchov yozuvi Verianla tomonidan taxmin asosida o‘zgartirilmagan.

Oldingi qism DAC parametrlari nima qiladi?

DAC — “digital-to-analog converter”, ya’ni raqamli-analog o‘zgartirgich. Sensorning analog oldingi qism zanjiridagi ayrim tok va kuchlanish ish nuqtalari raqamli qiymatlar orqali sozlanishi mumkin. Tadqiqotda skan qilingan asosiy o‘zgaruvchilar ITHR, IDB va ICASN; IBIAS esa 43 qiymatida o‘zgarmas saqlangan.

Elektr xarakterizatsiya tizimi

Sensor CERNda ishlab chiqilgan maxsus carrier board ga ulangan. Plata LVDD past-kuchlanishli raqamli ta’minot, DVDD raqamli yadro ta’minoti, AVDD analog ta’minot, PWELL va SUB kabi substrate bias lar hamda DREF tayanch kuchlanishini ta’minlaydi.

Carrier board FMC ulanishi orqali FPGA baholash platasiga ulanadi. FPGA sensor konfiguratsiyasi, boshqaruv va ma’lumot yig‘ishni bajaradi. FPGA bilan kompyuter o‘rtasidagi aloqa Ethernet orqali ta’minlanadi. Tizim beshta mustaqil past-kuchlanishli quvvat manbaidan ta’minlangan va kuchlanish/tok kalibrlashi yuqori aniqlikdagi raqamli multimetr bilan kuzatilgan.

Ma’lumot yig‘ish va boshqaruv ishlari C++ va Python3 da ishlab chiqilgan MALTA dasturiy ta’minot freymvorkidan foydalangan holda bajarilgan. Dastur chip register larini sozlash, DAC skanlarini o‘tkazish va piksel javoblarini o‘qish imkonini beradi.

Barcha elektr o‘lchovlarda harorat:

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

darajasida ushlab turilgan. Maqsad haroratdan kelib chiqishi mumkin bo‘lgan elektron shovqin va threshold dispersion o‘zgarishlarini kamaytirib, nurlantirishdan oldingi va keyingi o‘lchovlarni taqqoslanadigan qilishdir.

S-Egri Chiziq Piksel Thresholdi va Shovqinni Qanday Aniqlaydi?

S-egri chiziq — pikselga tobora ortib boruvchi ma’lum injeksiya zaryadlari berilganda piksel necha marta javob berganini ko‘rsatadigan o‘tish egri chizig‘i; past zaryadda javob ehtimoli kichik, zaryad threshold sohasiga yetganda esa javob tez ortadi. Tadqiqot har bir pikselning S-egri chizig‘ini fit qilib samarali threshold qiymatini oladi va egri chiziq o‘tish kengligini equivalent noise charge, ya’ni ENC ko‘rinishidagi elektron shovqin o‘lchovi sifatida ishlatadi.

Injeksiya qilingan zaryad

Tadqiqotda pikselga berilgan elektr zaryadi:

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

bilan hisoblanadi.

Bu yerda:

• \(Q_{\mathrm{inj}}\): pikselga injeksiya qilingan elektr zaryadi bo‘lib, birligi coulomb,
• \(C_{\mathrm{inj}}\): ichki injeksiya sig‘imi,
• \(V_H\): injeksiya impulsining yuqori kuchlanish darajasi,
• \(V_L\): injeksiya impulsining past kuchlanish darajasi.

Manbada ishlatilgan injeksiya sig‘imi:

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

qiymatga ega. “aF” attofarad degani:

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

Formulada kuchlanish farqi oshgani sari injeksiya qilingan zaryad chiziqli ravishda ortadi. Xuddi shuningdek, kuchlanish farqi o‘zgarmas bo‘lganda injeksiya sig‘imi oshsa, berilgan zaryad ham ortadi.

Elektron ekvivalenti qanday topiladi?

Elektr zaryadining nechta elementar elektron zaryadiga mos kelishi:

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

bilan hisoblanadi.

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

bir elektronning asosiy zaryad kattaligidir. Suratning birligi coulomb bo‘lgani sababli bo‘lishdan keyingi natija elektron ekvivalenti sifatida ifodalanadi. Maqoladagi “367 e⁻ threshold” ifodasi shunday zaryad ekvivalentidir; bu sensorda fizik jihatdan aynan 367 ta elektron borligini emas, tetiklash uchun zarur signal zaryadi taxminan 367 elementar zaryadga teng ekanini anglatadi.

Namunaviy piksel ish nuqtasi

Manba birinchi batafsil threshold tekshiruvini:

• ITHR = 20,
• IDB = 80,
• ICASN = 8

sozlamalarida amalga oshiradi.

To‘liq 224 × 512 matritsa 114.688 geometrik piksel pozitsiyasini o‘z ichiga oladi. Manba rasmlarida 114.302 yozuv xabar qilingan va oq sohalar threshold/noise qiymatlari ko‘rsatilmagan piksellarni ifodalashi aytilgan. Manba bu oq sohalarni avtomatik ravishda “nosoz piksel” deb tasniflamagani uchun Verianla ham bunday talqin bermaydi.

Threshold bir xilligi nimani anglatadi?

Threshold bir xilligi bir xil DAC sozlamasida turli piksellarni tetiklash uchun kerak bo‘ladigan zaryadlarning bir-biriga qanchalik yaqinligini bildiradi. Agar ayrim piksellar juda past, ayrimlari juda yuqori thresholdga ega bo‘lsa, ayni fizik zarracha signali matritsaning turli hududlarida turlicha aniqlash samaradorligini yuzaga keltirishi mumkin.

Namunaviy sozlamadagi taxminan 367 e⁻ o‘rtacha qiymat va 13 e⁻ standart og‘ish manba tomonidan tor va bir xil taqsimot sifatida baholanadi. Ikki o‘lchovli xaritada katta mahalliy threshold tuzilmalari yoki aniq nuqsonli hududlar kuzatilmagani bildirilgan.

Rentgen nurlantirish tizimi

Nurlantirish IIT Madras High Energy Physics Laboratory dagi PRECISION XRad160 tizimi bilan amalga oshirilgan. Tizim volfram nishondan foydalanadi va 160 kV gacha bo‘lgan trubka kuchlanishida keng bremsstrahlung rentgen spektrini hosil qila oladi.

10 kGy nimani anglatadi?

Gray (Gy) — ionlashtiruvchi radiatsiya bir kilogramm modda tarkibiga uzatgan bir joule energiyaga mos keladigan yutilgan doza birligi:

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

Shunday qilib:

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

Bu ta’rif ishlatilgan doza birligining tushuntiruvchi izohidir. Maqola 10 kGy umumiy rentgen dozasidan tajriba sharti sifatida foydalanadi.

Doza noaniqligi

Manba berilgan doza kalibrlangan doza tezligi va ta’sirlanish davomiyligidan aniqlanganini; tizimli noaniqliklar, ayniqsa irradiator kalibrlashi va nurlanish maydonidagi mumkin bo‘lgan bir xillik o‘zgarishlaridan kelib chiqishini bildiradi. Biroq bu tizimli noaniqlikning foiz yoki Gy ko‘rinishidagi sonli kattaligi xabar qilinmagan. Shu sababli Verianla doza noaniqligi uchun manbada bo‘lmagan xato chegarasini yaratmaydi.

Nurlantirishdan keyingi tavlanish masalasi

Nurlantirishdan keyin maxsus annealing jarayoni amalga oshirilmagan. Sensorning radiatsiyadan keyingi elektr xarakterizatsiya kampaniyasi taxminan ikki oy davom etgan va qurilma shu muddat davomida 16 ± 1 °C nazorat qilinadigan sharoitda saqlangan.

Manba xabar qilingan natijalar shu davrda sodir bo‘lishi mumkin bo‘lgan tabiiy “room-temperature annealing” ta’sirlarini o‘z ichiga olishi mumkinligini aniq bildiradi. Shu sababli o‘lchangan “nurlantirishdan keyingi” holat nurlantirishdan darhol keyingi nol-vaqt shikastlanish holati bilan aynan bir tushuncha sifatida talqin qilinmasligi kerak.

10 kGy Rentgen Nuri Threshold va Noise Qiymatlariga Qanday Ta’sir Qildi?

10 kGy rentgen nurlantirishi sensor thresholdini o‘rganilgan barcha DAC sohasida tizimli ravishda pastroq qiymatlarga siljitgan, ta’sir ayniqsa past ITHR va past-threshold konfiguratsiyalarida kuchaygan; bunga qarshi ravishda piksel-matritsa threshold bir xilligi katta darajada saqlangan va elektron noise faqat kichik ortishlarni ko‘rsatgan. Demak, tadqiqotda radiatsiya ta’siri asosan threshold ish nuqtasining siljishi ko‘rinishida namoyon bo‘lgan, noise ko‘rsatkichlarida shunga o‘xshash kattalikdagi yomonlashuv kuzatilmagan.

ICASN skani

ICASN oshgani sari ham nurlantirilmagan, ham nurlantirilgan sensorda o‘rtacha threshold kamayadi. Bu xatti-harakat ICASN ning amplifier baseline ni o‘zgartiruvchi elektron roli bilan mos keladi.

Butun ICASN diapazonida nurlantirilgan sensor thresholdi nurlantirilmagan sensornikidan pastroq topilgan. Shunga qaramay, xato ustunlari bilan ko‘rsatilgan taqsimot kengliklari o‘xshash bo‘lib qolgan va manba buni nurlantirish sababli threshold bir xilligi sezilarli darajada yomonlashmagan deb talqin qilgan.

ITHR–IDB skani

ICASN = 4 o‘zgarmas saqlanganda ITHR va IDB birgalikda skan qilingan. ITHR oshgani sari threshold aniq va monoton ravishda ko‘tariladi, IDB yo‘nalishidagi o‘zgarish esa kuchsizroq.

Past ITHR qiymatlarida radiatsiya keltirib chiqargan threshold o‘zgarishining mutlaq kattaligi taxminan:

\[ 80\text{–}90~e^- \]

darajasigacha yetgan.

Bu yerdagi 80–90 e⁻ qiymati mutlaq o‘zgarish kattaligidir. Tadqiqotning umumiy taqqoslashi nurlantirishdan keyin threshold pastroq qiymatlarga siljiganini ko‘rsatadi; shu sabab “80–90 e⁻ ortish” ifodasini nurlantirilgan thresholdning ishorali ortishi sifatida to‘g‘ridan-to‘g‘ri talqin qilish to‘g‘ri emas.

Xuddi shu ITHR–IDB xaritasida nisbiy o‘zgarish parametr fazosining katta qismida taxminan %25 dan past qoladi. Eng katta og‘ishlar past ITHR sohasidadir.

ITHR–ICASN skani

IDB = 80 o‘zgarmas saqlanganda ITHR yo‘nalishida yana aniq threshold gradienti ko‘ringan, ICASN ta’siri esa o‘rtacha darajada qolgan. Nurlantirishdan keyin tizimli threshold siljishi o‘rganilgan barcha IDB sharoitlarida kuzatiladi.

Ushbu skanda nisbiy o‘zgarish parametr fazosining katta qismida taxminan %20 dan past qolishi xabar qilingan.

IDB–ICASN skani

ITHR = 100 o‘zgarmas bo‘lganda IDB va ICASN ta’siri ITHRning o‘z ta’siridan kuchsizroq. Mutlaq threshold o‘zgarishi sozlamalar kombinatsiyasiga qarab yana taxminan 80–90 e⁻ darajasigacha chiqishi mumkin.

Nisbiy threshold o‘zgarishi bu sohalarning aksariyatida taxminan %15 dan past qolishi, past IDB tomonida esa kattaroq og‘ishlar kuzatilishi mumkinligi bildirilgan.

Nega ITHR eng muhim sozlash parametri?

Manbada ITHR skani taxminan 20–120 oralig‘ini qamrab oladi. ITHR oshgani sari threshold yuzlab elektronlik keng diapazonda kuchli va deyarli chiziqli tarzda ortadi, noise esa ancha kam o‘zgaradi. Shu sabab ITHR faqat kichik tuzatish parametri emas, sensorning global threshold ko‘lamini belgilaydigan asosiy boshqaruv sifatida baholangan.

ICASN thresholdni yanada nozik sozlash imkonini beradi. IDB esa diskriminator ish nuqtasiga ta’sir qiladi va radiatsiya keltirib chiqargan threshold siljishiga hissa qo‘shadi; ammo o‘rganilgan natijalarda global threshold ustidagi ustun parametr ITHRdir.

Nega noise boshqacha tutadi?

Noise piksel S-egri chizig‘ining o‘tish kengligidan olinadigan equivalent noise charge, ENC orqali baholangan. DAC parametrlari thresholdni yuzlab elektron oralig‘ida o‘zgartira olsa-da, noise egri chiziqlari ancha yassi.

Manba natijalari:

• ICASN skanida noise o‘zgarishi taxminan 1–2 e⁻ darajasida.
• IDB skanida nurlantirishdan keyingi o‘zgarish taxminan 2–3 e⁻ darajasida qoladi.
• ITHR oshgani sari noise da faqat ahamiyatsiz/kichik ortish kuzatiladi.
• Nurlantirishdan oldingi va keyingi noise taqsimotlarining yoyilishi bir-biriga o‘xshash.
• Piksel matritsasidagi noise bir xilligi saqlanadi.

Bu topilma threshold radiatsiya va DAC sozlamalariga sezgir bo‘lsa-da, elektron noise xuddi shu darajada o‘zgarmasligini ko‘rsatadi.

Threshold–noise muvozanati nega muhim?

Zarracha detektorida thresholdni imkon qadar past sozlash kuchsiz fizik signallarni aniqlashga yordam berishi mumkin; biroq threshold elektron noise ga haddan tashqari yaqinlashtirilsa, noto‘g‘ri tetiklanishlar va beqaror ishlash xavfi ortishi mumkin. Shu sabab faqat “eng past threshold” emas, yetarlicha past threshold bilan barqaror noise o‘rtasidagi muvozanat muhimdir.

Manba threshold–noise korrelyatsiyasidan foydalanib eng maqbul ish sohasi o‘rta ITHR qiymatlarida ekanini bildiradi. Juda past-threshold konfiguratsiyalariga texnik jihatdan erishish mumkin bo‘lsa ham, ular rentgen nurlantirishiga nisbatan kattaroq nisbiy o‘zgarish ko‘rsatadi.

Radiatsiya keltirib chiqargan threshold shift ning parametrlarga bog‘liqligi

Tadqiqot yakunda har bir DAC parametri uchun nurlantirilgan va nurlantirilmagan sensor thresholdlari farqini hisoblagan va qolgan ikki parametrning barcha konfiguratsiyalari bo‘yicha o‘rtacha olgan.

Natija:

• ITHR oshgani sari threshold shift umuman kamayadi.
• ICASN ga bog‘liqlik monoton emas; oraliq ICASN qiymatlarida maksimum kuzatiladi.
• IDB ham sezilarli o‘zgarish ko‘rsatadi, biroq oddiy monoton bog‘lanish yo‘q.
• Uch parametr orasida eng aniq tizimli radiatsion bog‘liqlik ITHRda kuzatiladi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Tajriba oqimi

1. Ikkinchi avlod monolitik CMOS piksel sensori maxsus carrier board va FPGA asosidagi o‘qish tizimiga ulandi.
2. Harorat 16 ± 1 °C da nazorat qilindi.
3. IBIAS = 43 o‘zgarmas saqlangan holda ITHR, IDB va ICASN skan qilindi.
4. Har bir piksel uchun turli injeksiya zaryadlarida javob olinib S-egri chiziqlar yaratildi.
5. S-egri chiziqlardan piksel thresholdi va equivalent noise charge chiqarildi.
6. Nurlantirishdan oldingi threshold va noise taqsimotlari yaratildi.
7. Sensor XRad160 ichida 30 cm manba–namuna masofasida taxminan 10 kGy rentgen nurlanishiga duchor qilindi.
8. Nurlantirishdan keyin maxsus annealing jarayoni qo‘llanmadi.
9. Elektr xarakterizatsiya ayni nazorat qilinadigan harorat sharoitida takrorlandi.
10. Post-irradiation xarakterizatsiya taxminan ikki oyga cho‘zildi.
11. Nurlantirishdan oldingi va keyingi threshold, noise hamda threshold–noise korrelyatsiyalari taqqoslandi.
12. Radiatsiya keltirib chiqargan threshold shift ITHR, ICASN va IDB bo‘yicha alohida tahlil qilindi.

Manbada o‘rganilgan DAC diapazonlari

Manba grafiklarida ishlatilgan skan nuqtalaridan ko‘rinadigan asosiy diapazonlar:

Bu diapazonlar manba grafiklaridagi skan nuqtalaridan olingan; Verianla ular orasidagi o‘lchanmagan nuqtalarda interpolatsiya qilmaydi.

Asosiy sonli natijalar

Manba grafiklari birgalikda ko‘rsatadigan natija

Threshold xaritalari bilan noise grafiklarini birgalikda baholash sensor xatti-harakati ikki turli o‘qda ajralishini ko‘rsatadi. Threshold elektron ish nuqtasi va radiatsiya tomonidan kuchli ravishda qayta sozlanishi mumkin, noise esa nisbatan o‘zgarmas qoladi. Bu farq nurlantirishdan keyin sensor aynan bir xil elektron ish nuqtasida qolmasligini, biroq DAC retuning orqali foydalanish mumkin bo‘lgan ish sohalari saqlanishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Boshqacha aytganda, tadqiqotning “robustness” natijasi “radiatsiya sensorda hech qanday o‘zgarish qilmadi” degani emas. Manba bevosita va o‘lchanadigan threshold o‘zgarishini ko‘rsatadi. Chidamlilik talqini ushbu o‘zgarishga qaramay threshold bir xilligi va noise ko‘rsatkichlari saqlanishi hamda sensorda sozlanadigan ish sohasi qolishiga asoslanadi.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan xulosalar

• Ikkinchi avlod monolitik CMOS piksel sensorining thresholdi piksel matritsasi bo‘ylab yuqori bir xillikni ko‘rsatadi.
• Namunaviy ITHR = 20, IDB = 80 va ICASN = 8 ish nuqtasida threshold taxminan 367 ± 13 e⁻ miqyosida; bu yerda ±13 e⁻ manbada berilgan taqsimotning standart og‘ishini bildiradi.
• ITHR o‘rganilgan DAC parametrlari orasida thresholdga eng kuchli ta’sir ko‘rsatadi.
• ICASN thresholdni nozik sozlashga hissa qo‘shadi.
• IDB thresholdga ta’sir qiladi, biroq global bog‘liqlik ITHRnikidan kuchsizroq.
• 10 kGy rentgen nurlantirishi thresholdni tizimli ravishda pastroq qiymatlarga siljitgan.
• Past ITHR/past-threshold ish nuqtalari nurlantirish ta’siriga ko‘proq sezgir.
• Threshold shift ayrim konfiguratsiyalarda mutlaq kattalik sifatida taxminan 80–90 e⁻ gacha yetadi.
• Threshold taqsimotining pikseldan pikselga bir xilligi nurlantirishdan keyin katta darajada saqlangan.
• Noise ITHR, IDB va ICASN sozlamalariga threshold kabi kuchli bog‘liq emas.
• Nurlantirishdan keyin noise faqat cheklangan ortishni ko‘rsatgan.
• Threshold–noise munosabati nurlantirishdan oldin va keyin foydalanish mumkin bo‘lgan DAC sozlash sohasi borligini ko‘rsatadi.
• O‘rta ITHR qiymatlari yetarlicha past threshold bilan yuqoriroq radiatsion barqarorlik o‘rtasida qulay ish sohasini ta’minlaydi.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan xulosalar

• Tadqiqot sensor barcha radiatsiya turlariga nisbatan o‘zgarmasligini ko‘rsatmaydi.
• 10 kGy rentgen natijasi proton, neytron, pion yoki hadron kelib chiqishli non-ionizing energy loss ta’sirlarining bevosita o‘lchovi emas.
• Tadqiqot butun HL-LHC xizmat muddati yoki kutiladigan umumiy radiatsiya muhitining to‘liq laboratoriya nusxasi emas.
• Nurlantirishdan keyin threshold o‘zgarmagan deb bo‘lmaydi; manba tizimli o‘zgarishni o‘lchaydi.
• Radiatsiyaning noise ga hech qanday ta’siri yo‘q deb bo‘lmaydi; kichik, ammo o‘lchanadigan ortishlar mavjud.
• Eng past threshold avtomatik ravishda eng yaxshi ish nuqtasi deb bo‘lmaydi; past-threshold sozlamalari radiatsiyaga ko‘proq sezgir.
• Barcha sensor qalinliklari bir xil radiatsion javob beradi degan xulosa chiqarib bo‘lmaydi; manba “turli qalinliklar” haqida gapirsa-da, ushbu maqolada sonli qalinlik qiymatlari yoki batafsil qalinlikka asoslangan natijalar berilmagan.
• Post-irradiation qiymatlar nurlantirishdan darhol keyin olingan bir lahzalik qiymatlar emas; o‘lchov kampaniyasi taxminan ikki oy davom etgan.
• Manba doza noaniqligining sonli ishonch oralig‘ini bermagani sababli 10 kGy qiymatiga Verianla tomonidan qo‘shimcha ± xato qiymati tayinlab bo‘lmaydi.

Metodik va hisobot cheklovlari

• Bitta asosiy radiatsiya ssenariysi: Asosiy taqqoslash 10 kGy rentgen umumiy ionlashtiruvchi dozasiga asoslangan.
• Post-irradiation vaqt oynasi: Xarakterizatsiya taxminan ikki oyga yoyilgan va manba tabiiy tavlanish ta’sirlari natijalarga qo‘shilishi mumkinligini bildiradi.
• Annealing nazorati: Alohida nazorat qilinadigan annealing protokoli qo‘llanmagan.
• Doza noaniqligi: Irradiator kalibrlashi va beam uniformity tizimli noaniqlik manbalari sifatida ko‘rsatilgan, biroq sonli xato budjeti berilmagan.
• Sensor qalinligi: Metod bo‘limi turli qalinlikdagi sensorlar haqida gapiradi, ammo sonli qalinliklar va qalinlikka asoslangan alohida natijalar xabar qilinmagan.
• Statistik xulosa chiqarish: Tadqiqot asosan taqsimotlar, o‘rtacha qiymatlar, standart og‘ishlar, xaritalar va qiyosiy tendensiyalardan foydalanadi; asosiy radiation natijalari uchun alohida p-qiymat, ishonch oralig‘i yoki gipoteza testi xabar qilinmagan.
• S-egri chiziq fit parametrlari: Namunaviy grafikda \(p_0\), \(p_1\) va \(p_2\) fit parametrlari ko‘rsatilgan, biroq manba ushbu uch belgining har birining fizik ma’nosini matnda alohida aniqlamaydi. Verianla bu moslikni taxmin qilmaydi.

Tadqiqotning amaliy muhandislik xabari

Detektor elektronikasida radiatsiyaga chidamlilikni faqat “chip ishlayaptimi?” savoliga qisqartirib bo‘lmaydi. Threshold, noise, bir xillik va sozlanish qobiliyati birgalikda baholanishi kerak. Ushbu tadqiqotda 10 kGy rentgen nurlantirishidan keyin threshold ish nuqtasi siljiganiga qaramay noise katta darajada barqaror qolgan va DAC sozlamalari orqali foydalanish mumkin bo‘lgan ish sohalari saqlangan.

Bu natija ayniqsa ITHR radiatsiyadan keyingi qayta sozlash uchun muhim boshqaruv vositasi ekanini ko‘rsatadi. Biroq haqiqiy tezlatgich tajribasida qo‘llanadigan optimal DAC sozlamalari mazkur detektorning haqiqiy radiatsiya tarixi, harorati, sensor qalinligi, bias sharoitlari va tajriba samaradorligi talablari ostida alohida tasdiqlanishi kerak.

Manba va Usul Haqida Izoh

Asl sarlavha: Performance of Monolithic CMOS Pixel Sensors Under X-Rays

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

Mualliflar tartibi: Mohammad Mobassir Ameen → Ganapati Dash → Anushree Vijay → Theertha Chembakan → Prafulla Kumar Behera.

Mas’ul mualliflar: Mohammad Mobassir Ameen va Ganapati Dash.

Teng hissa: Manbada teng birinchi mualliflik yoki teng hissa bayonoti aniqlanmagan.

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

Jurnal: Physics.

Bo‘lim: Detectors and Instruments.

Nashriyot: MDPI.

Jild / son / maqola raqami: 8(3), 62.

DOI: 10.3390/physics8030062.

Yuborilgan sana: 20 May 2026.

Qayta ko‘rib chiqish sanasi: 9 Iyul 2026.

Qabul qilingan sana: 23 Iyul 2026.

Nashr sanasi: 21 Avgust 2026.

Manba turi: Taqrizdan o‘tgan eksperimental tadqiqot maqolasi; yuqori energiya fizikasi detektor elektronikasi va radiatsiyaga chidamlilik xarakterizatsiyasi.

Litsenziya: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Asosiy sensor texnologiyasi: Ikkinchi avlod MALTA oilasi monolitik CMOS piksel sensori; modifikatsiyalangan TowerJazz 180 nm CMOS jarayoni.

Asosiy eksperimental usul: DAC asosidagi threshold/noise skanlari, piksel S-egri chizig‘i tahlili, charge injection kalibrlashi va 10 kGy XRad160 rentgen nurlantirishidan oldin/keyin taqqoslash.

O‘lchov dasturiy ta’minoti: MALTA dasturiy ta’minot freymvorki; C++ va Python3.

O‘qish apparaturasi: FPGA asosidagi baholash tizimi; Kintex-7 FPGA, KC705 platasi va FMC ulanishi.

Nurlantirish qurilmasi: PRECISION XRad160, volfram nishon.

Umumiy doza: 10 kGy rentgen nuri.

Doza tezligi: Taxminan 12,7 Gy/daqiqa.

Manba–namuna masofasi: 30 cm.

O‘lchov harorati: 16 ± 1 °C.

Post-irradiation annealing: Maxsus nazorat qilinadigan annealing jarayoni amalga oshirilmagan. Radiatsiyadan keyingi xarakterizatsiya taxminan ikki oy davom etgan va manba tabiiy tavlanish ta’sirlari natijalarga qo‘shilishi mumkinligini bildirgan.

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

Ma’lumotlarning mavjudligi: Tadqiqotda yaratilgan/tahlil qilingan ma’lumot to‘plamlarini asosli so‘rov asosida mas’ul mualliflardan olish mumkin. Ma’lumotlar hajmi terabayt miqyosida bo‘lgani uchun ular ochiq repozitoriyda arxivlanmagan.

Minnatdorchilik: Mualliflar CERN va CERN Experimental Physics Department ga qo‘llab-quvvatlash va yo‘l-yo‘riq uchun minnatdorchilik bildiradi.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bildirgan. Moliyalashtiruvchilarning tadqiqot dizayni, ma’lumot yig‘ish/tahlil/talqin qilish, maqolani yozish yoki nashr qarorida roli bo‘lmagani qayd etilgan.

DURC bayonoti: Manba tadqiqotni yuqori energiya fizikasida zarracha detektorini rivojlantirishga qaratilgan izlanish sifatida tasniflaydi; dual-use salohiyatini tan olishini va tegishli etik, milliy hamda xalqaro qoidalarga rioya qilinganini bildiradi.

Mualliflar hissasi: Konseptuallashtirish M.M.A., G.D. va P.K.B.; usul M.M.A. va G.D.; tekshirish va formal tahlil M.M.A. va G.D.; tadqiqot M.M.A., G.D., A.V. va T.C.; tajriba qurilmasi G.D. va A.V.; ma’lumot yig‘ish M.M.A., G.D., A.V. va T.C.; resurslar P.K.B.; ma’lumotlar kuratsiyasi M.M.A. va G.D.; dastlabki qoralama M.M.A. va G.D.; ko‘rib chiqish/tahrirlash M.M.A., G.D. va P.K.B.; nazorat, loyiha boshqaruvi va moliyalashtirishni jalb qilish P.K.B. deb xabar qilingan.

Manba ichidagi ko‘rsatish izohi: Birinchi avlod piksel qadami taxminan 36,4 × 36,4 µm² deb yozilgan bo‘lsa, ikkinchi avlod ayni piksel o‘lchamini saqlaganini aytuvchi jumlada “36,4 µm²” ko‘rinishi ishlatilgan. Verianla ikkinchi qiymatni yashirin tarzda qayta yozmagan.

Yetishmayotgan qayta ishlab chiqarish ma’lumoti: Manba DAC skanlari turli qalinlikdagi sensorlarda bajarilganini bildiradi, biroq ushbu tadqiqotda ishlatilgan qalinlik qiymatlarini batafsil xabar qilmaydi.

Doza noaniqligi chegarasi: Kalibrlash va beam-uniformity ta’sirlari tizimli noaniqlik manbalari sifatida bildirilgan bo‘lsa-da, sonli umumiy doza noaniqligi berilmagan.

Asosiy talqin chegarasi: Maqola 10 kGy rentgen umumiy ionlashtiruvchi dozasi ostida threshold va noise xatti-harakatini xarakterizatsiya qiladi. Bu natijaning o‘zi barcha tezlatgich radiatsiya maydonlari, non-ionizing shikastlanish mexanizmlari yoki sensorning butun xizmat muddati uchun to‘liq radiatsion chidamlilik isboti emas.