64kピクセルCMOS

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11799 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

64k ピクセル DEPFET モジュールは、欧州 XFEL で軟 X 線を捕捉および測定するための大面積 2D ハイブリッド検出器である、信号圧縮機能付き DEPFET センサー (DSSC) の重要な高感度コンポーネントです。 最後の 1 メガピクセルのカメラは、\(250\,\text{eV}\) と \(6\,\text{keV}\) の間のエネルギーを持つ光子を検出する必要があり、\(4.5 のピーク フレーム レートを提供する必要があります) \,\text{MHz}\) は、ヨーロッパの XFEL の独特なバンチ構造に対応します。 この研究では、一辺の長さが 136 μm の \(512\,\times \,128\) 個の六角形ピクセルを特徴とする、フルフォーマットの CMOS-DEPFET アレイで組み立てられた最初のモジュールの機能と特性を要約しています。 ピクセル センサーは DEPFET テクノロジーを利用して、優れたエネルギー分解能を実現するための極めて低い入力容量を実現すると同時に、ゲインの切り替えを必要としない信号圧縮の固有の機能を実現します。 読み出し ASIC の各ピクセルには、DEPFET バイアス電流キャンセル回路、台形整形フィルター、9 ビット ADC、および 800 ワード長のデジタル メモリが含まれています。 トリミング、キャリブレーション、および最終的な特性評価は、DESY の実験室テストベンチで実行されました。 すべての検出機能は \(18\,^{\circ }\text{C}\) で評価されます。 \(9.8\)e-rms という優れた等価ノイズ電荷は、1.1 MHz のフレーム レートと keV あたり 26.8 アナログデジタル単位のゲインで達成されます (\(\,\text {ADU}/\text{keV) }\))。 \(4.5\,\text{MHz}\) および \(3.1\,\,\text {ADU}/\text{keV}\) では、\(25.5\) e-rms のノイズとダイナミック レンジの \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\) が得られます。 \(1.345\,\text{M}\text {e}^{-}\) の最高ダイナミック レンジは \(2.25\,\text{MHz}\) と \(1.6\,\text { ADU}/\text{keV}\)。 これらの値は、DSSC プロジェクトの仕様を満たすことができます。

European XFEL (EuXFEL) は X 線自由電子レーザー源であり、\(4.5\,\text{MHz}\) の単一バンチ列の最大 2700 個の非常に明るい X 線パルスが \(100 ごとに繰り返されます) \,\text{ms}\)1. その独特のバンチ方式は、画像検出器の開発に大きな設計上の課題をもたらします。 3 つの 1 メガピクセル検出器タイプは、必要な X 線エネルギー範囲、ピーク フレーム レート、およびダイナミック レンジに対応するために、異なるコンセプトで特別に設計されています。

大型ピクセル検出器 (LPD)2 は \({500}\) μm サイズの正方形ピクセルを持ち、\(5\) から \(20\,\text{keV} のエネルギー範囲で動作するように設計されています) \)。 そのピクセル エレクトロニクスは、3 つのゲイン ステージを備えた電荷感知アンプ (CSA) と、並列動作する 1 ステージあたり 512 セルのアナログ メモリを備えています。 デジタル化は、オンチップの列レベルのアナログ - デジタル コンバータ (ADC) のおかげで、列車の隙間に実行されます。 最大のダイナミックレンジを達成するために、便利なゲインパスがオフチップで選択されます。 この検出器は、EuXFEL3 のフェムト秒 X 線実験 (FXE) 科学機器の一部です。

Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD)4 は、LPD と同じエネルギー範囲をターゲットとしていますが、\(200\) μm の空間分解能を提供します。 CSA 出力に応じて動的に選択される 3 つのゲインを持つ CSA を備えています。 相関二重サンプリング (CDS) ステージはリセット ノイズを除去し、その出力は 352 セルのアナログ メモリに保存されます。 その後、そのアナログ データはオフチップ ADC によってデジタル化されます。 AGIPD は、単一粒子、クラスター、生体分子および連続フェムト秒結晶学 (SPB/SFX)5 およびマテリアル イメージングおよびダイナミクス (MID)6 装置の一部です。

信号圧縮 (DSSC) を備えた空乏型電界効果トランジスタ (DEPFET) センサーは、\(250\,\text{eV}\) から \(6\,\text{keV}\) までの軟 X 線範囲をターゲットとしています。 1 つ目のカメラは、一辺の長さが \(136\) μm7 で、等面積直径 \(247\) μm に相当する六角形の受動的小型シリコン ドリフト検出器 (mini-SDD) セルに基づいています。 各ピクセルの読み出しチェーンは、CSA、台形重み付け機能を備えた時変フィルター、ゲインおよびオフセット トリミング機能を備えた 9 ビット ADC、および 800 サンプルの記憶容量を備えた SRAM で構成されています。 これにより、DSSC 検出器は 3 つの検出器バージョンの中で最も深い記憶容量を提供するだけでなく、ピクセルごとのデジタイザ アプローチもユニークです。 もう 1 つのユニークな機能は、トレイン間ギャップ内のメモリ読み出し中の未使用のアナログ ブロックとミックスド シグナル ブロックのパワーダウン機能に関するものです。 このようにして、真空内消費電力は、AGIPD (\(550\,\text{W}\)) とは対照的に \(149\,\text{W}\) に大幅に減少します。 真空外部電子機器で構成される 1 メガピクセル検出器の消費電力は、AGIPD (\(1.2\,\text{kW}\)4) や LPD ( \(12\,\text{kW}\)8)。 信号処理チェーンのゲインは CSA、フィルタ、ADC で調整できるため、パッシブ ミニ SDD センサーを備えた DSSC イメージャの現在のバージョンは、1 パーセント未満のゲイン粒度でエネルギー範囲全体をカバーします7。 イメージャは、ピーク フレーム レート \(4.5\,\text{MHz}\) で約 \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\) の等価ノイズ電荷 (ENC) に達しました。 )、線形ダイナミック レンジは最大 9 ビットに制限されます。 このカメラは委託され、EuXFEL の分光・コヒーレント散乱 (SCS)9 および小型量子システム (SQS) 軟 X 線装置で使用されています。