Un CMOS fornisce 64k pixel

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11799 (2023) Citare questo articolo

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Il modulo DEPFET da 64k pixel è il componente sensibile chiave del sensore DEPFET con compressione del segnale (DSSC), un rilevatore ibrido 2D ad ampia area per l'acquisizione e la misurazione dei raggi X molli presso l'XFEL europeo. L'ultima fotocamera da 1 megapixel deve rilevare fotoni con energie comprese tra \(250\,\text{eV}\) e \(6\,\text{keV}\) e deve fornire un frame rate di picco di \(4,5 \,\text{MHz}\) per far fronte alla struttura a grappolo unica dell'XFEL europeo. Questo lavoro riassume le funzionalità e le proprietà dei primi moduli assemblati con array CMOS-DEPFET a pieno formato, caratterizzati da \(512\,\times \,128\) pixel di forma esagonale con una lunghezza del lato di 136 μm. I sensori pixel utilizzano la tecnologia DEPFET per realizzare una capacità di ingresso estremamente bassa per un'eccellente risoluzione energetica e, allo stesso tempo, una capacità intrinseca di compressione del segnale senza alcuna commutazione di guadagno. Ciascun pixel dell'ASIC di lettura include un circuito di cancellazione della corrente con polarizzazione DEPFET, un filtro di forma trapezoidale, un ADC a 9 bit e una memoria digitale lunga 800 parole. La rifinitura, la calibrazione e la caratterizzazione finale sono state eseguite su un banco prova di laboratorio presso DESY. Tutte le caratteristiche del rilevatore sono valutate a \(18\,^{\circ }\text{C}\). Un'eccezionale carica di rumore equivalente di \(9,8\)e−rms viene ottenuta con un frame rate di 1,1 MHz e un guadagno di 26,8 unità analogico-digitali per keV (\(\,\text {ADU}/\text{keV }\)). A \(4.5\,\text{MHz}\) e \(3.1\,\,\text {ADU}/\text{keV}\), un rumore di \(25.5\) e−rms e una gamma dinamica di \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\) si ottengono. La gamma dinamica più alta di \(1.345\,\text{M}\text {e}^{-}\) viene raggiunta a \(2.25\,\text{MHz}\) e \(1.6\,\text { ADU}/\text{keV}\). Questi valori possono soddisfare le specifiche del progetto DSSC.

L'XFEL europeo (EuXFEL) è una sorgente laser a elettroni liberi di raggi X, dove fino a 2700 impulsi di raggi X estremamente brillanti di un singolo treno di fasci a \(4,5\,\text{MHz}\) vengono ripetuti ogni \(100 \,\testo{ms}\)1. Il suo esclusivo schema a grappolo pone grandi sfide progettuali per lo sviluppo di rilevatori di immagini. Tre tipi di rilevatori da 1 megapixel sono stati appositamente progettati con concetti diversi per far fronte alla gamma di energia dei raggi X, al frame rate di picco e alla gamma dinamica richiesti.

Il Large Pixel Detector (LPD)2 ha pixel quadrati di dimensione \({500}\)-μm ed è stato progettato per funzionare nell'intervallo di energia compreso tra \(5\) e \(20\,\text{keV} \). La sua elettronica pixel è dotata di un amplificatore sensibile alla carica (CSA) con tre stadi di guadagno e una memoria analogica da 512 celle per stadio operata in parallelo. La digitalizzazione viene eseguita durante gli intervalli del treno grazie a un convertitore analogico-digitale (ADC) a livello di colonna su chip. Il conveniente percorso di guadagno è selezionato off-chip per ottenere la massima gamma dinamica. Il rilevatore fa parte dello strumento scientifico Femtosecond X-ray Experiments (FXE) presso EuXFEL3.

L'Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD)4 punta allo stesso intervallo di energia dell'LPD, ma offre una risoluzione spaziale di \(200\) μm. È dotato di un CSA con tre guadagni selezionati dinamicamente in base all'uscita CSA. Uno stadio di doppio campionamento correlato (CDS) rimuove il rumore di ripristino e il suo output viene archiviato in una memoria analogica da 352 celle. I suoi dati analogici vengono successivamente digitalizzati da ADC off-chip. L'AGIPD fa parte degli strumenti Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX)5 e degli strumenti Materials Imaging and Dynamics (MID)6.

Il sensore DEPFET (Depleted Field Effect Transistor) con compressione del segnale (DSSC) prende di mira la gamma di raggi X molli tra \(250\,\text{eV}\) e \(6\,\text{keV}\). Una prima fotocamera è basata su celle passive miniaturizzate di derivazione al silicio (mini-SDD) di forma esagonale con una lunghezza del lato di \(136\) μm7, corrispondente ad un diametro di uguale area di \(247\) μm. La catena di lettura di ciascun pixel comprende un CSA, un filtro variante temporale con funzione di ponderazione trapezoidale, un ADC a 9 bit con capacità di guadagno e compensazione dell'offset e una SRAM con una capacità di archiviazione di 800 campioni. Pertanto, il rilevatore DSSC non solo offre la capacità di archiviazione più profonda tra le tre versioni del rilevatore, ma è anche unico con il suo approccio al digitalizzatore per pixel. Un'altra caratteristica unica riguarda la capacità di spegnimento dei blocchi analogici e di segnali misti inutilizzati durante la lettura della memoria all'interno degli intervalli tra i treni. In questo modo la dissipazione di potenza sotto vuoto viene drasticamente ridotta a \(149\,\text{W}\) a differenza dell'AGIPD (\(550\,\text{W}\)). Il consumo energetico del rilevatore da 1 megapixel che comprende l'elettronica del vuoto esterno è \(263\,\text{W}\) rispetto all'AGIPD (\(1,2\,\text{kW}\)4) e all'LPD ( \(12\,\text{kW}\)8). Il guadagno della catena di elaborazione del segnale può essere regolato nel CSA, nel filtro e nell'ADC, in modo che l'attuale versione dell'imager DSSC con sensore mini-SDD passivo copra l'intero intervallo di energia con una granularità di guadagno inferiore all'1%7. Il riproduttore d'immagini ha raggiunto una carica di rumore equivalente (ENC) di circa \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\) al frame rate di picco di \(4,5\,\text{MHz}\ ), dove la gamma dinamica lineare è limitata a un massimo di 9 bit. La fotocamera è stata commissionata ed è in uso presso gli strumenti a raggi X molli di spettroscopia e diffusione coerente (SCS)9 e Small Quantum Systems (SQS) presso EuXFEL.