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Timepix3芯片原理及应用介绍(原理篇)

2022-05-05 12:00:01
北京众星联恒科技有限公司

开 发 背 景


混合像素探测器技术最初是为了满足欧洲核子中心(CERN) 大型强子对撞机LHC 粒子追迹需求而开发的。来自CERN和一些外部合作小组的研究人员看到了将混合像素探测器技术应用到高能物理以外领域的机会,于是Medipix1 Collaboration 诞生了。

Medipix系列是Medipix Collaborations开发的、用于粒子成像和探测的像素化探测器读出芯片系列。

Medipix1 芯片使用与 Omega3 粒子追迹芯片相同的前端电路,旨在允许在相当大的像素矩阵上进行单光子计数,其展示了该技术在高能物理以外领域的巨大潜力。为了进一步开发这项新技术并将其带入新的科学领域,Medipix2/3/4 Collaborations由此诞生,目前Medepix4正在开发中,主要目标是实现芯片可四边拼接及更高计数率。

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Timepix系列是从 Medipix系列开发演变而来的,用于探测单个粒子的探测以获得时间、空间、能量信息,历经Timepix2,Timepix3,目前Timepix4正在开发中,其目标是获得更好的空间和时间分辨能力。

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关于 Timepix3


这里我们着重介绍一下已量产,并在多个应用领域大放异彩的Timepix3芯片。

Timepix3 是一种通用集成电路,适用于读出半导体探测器和充气探测器,可以同时获得入射粒子或辐射的到达时间、空间及能量信息。与Timepix1 相比,Timepix3具有更多功能、更好的时间分辨率和更先进的架构,可用于零抑制的连续稀疏数据读出。Timepix3 可用于从 X 射线成像到粒子轨迹重建等多个领域。


像素结构

与Medipix类似,每个像素包含模拟和数字电路,原理框图如下:

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模拟部分

  • 电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifier, CSA), 反馈电容3fF,增益~50mV/ke-。CSA采用Krummenacher体系结构,可补偿探测器泄漏电流。可以处理正电荷和负电荷(由Polarity Bit极性比特设置)。

  • 一个比较器,比较基准为全局阀值Global Threshold

  • 每个像素的局部阀值调节DAC 4bit


数字部分

  • 计数器Counter

  • 同步和控制逻辑电路(Synchronizer & Clock gating)

  • 超像素共用电路 - 高精度时钟(VCO)、像素读出等

  • 配置寄存器(Pixel Configuration Register, PCR),6bit(Test bit、Local Threshold 4bit、Mask bit)


处理流程

  • 像素收集的电荷经CSA放大,得到幅度与电荷量成正比,即与粒子在像素内沉积的能量成正比的电压信号,送入比较器;

  • 比较器的比较基准是全局阀值。当信号幅度超过全局阀值时,比较器输出方波,其上升沿是CSA输出电压超过阀值的时刻,下降沿是CSA输出在下降过程中低于阀值的时刻,也就是说比较器输出高电平的持续时间是信号过阈时间ToT(Time over Threshold)。

  • 比较器输出方波上升沿出现的时刻即TOA(Time of Arrival)时间,也是事件计数的时间基准。


ToA和ToT数据的获得

Timepix 3有两个时钟:

  1. 全局40MHz低精度时钟(周期25ns),对应14bit ToA计数器。这个时钟一直工作;

  2. 局部640MHz高精度时钟(周期1.5625ns),对应4bit ToA计数器。这个时钟间歇工作,启、停时刻如下图所示:

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比较器输出方波上升沿出现时,640MHz时钟开始工作;

比较器输出方波上升沿之后、第1个40MHz时钟信号上升沿出现时,停止工作;

FToA 累加此期间640MHz时钟脉冲数;

比较器输出方波上升沿出现后的第1个40MHz时钟信号上升沿出现时,将全局ToA时钟计数器计数值锁存进像素ToA计数器(Timepix3每列都有一个全局TOA时钟计数器,这个计数器对40MHz时钟脉冲计数)。


  • TOA就包括两个部分:高精度时间戳和低精度时间戳。

  • TOT是比较器输出方波高电平持续期间内40MHz时钟的脉冲数。


像素布局

Timepix 3与Medipix 3相同,像素矩阵也是256 x 256方阵。为了简化高精度时间戳的实现和像素坐标的获取,256列像素被分为128个双列,每个双列又分成64个超像素(SuperPixel,由4×2=8个55μm×55μm 像素构成)。超像素示意图和像素地址编码如下:

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其中EoC_address为双列地址,128个双列地址编码需7 bit、SP_address为超像素地址,64个超像素地址编码需bit)、Pixel_address为像素在超像素中的位置,8个像素地址编码需3bit,共需要16bit。


数据获取模式

Timepix 3有3种获取模式(Acquisition Mode),每种模式又可以分为是否使用高精度时间戳。每种模式的数据包格式不同,即28bit计数器的内容和布局不同,如下表:

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注:FTOA = Fast TOA精度可达1.56ns,Dummy = 未用到,HitCounter 击中次数计数器


读出模式


两种读出模式:


  • 基于帧读出模式(Frame-based Zero-Suppressed mode),即曝光、读出、曝光、读出、……,类似于全帧式CCD相机的工作模式。

  • 数据(事件)驱动模式(Data-driven zero-Suppressed mode):像素被命中后,数据随机被读出。

  • 两种模式都是只读出有数据的像素(zero-Suppressed)

  • 这两种模式使用相同的内部数据通路读出数据,只是数据读出的时刻不同。数据驱动模式在事件被记录完成后读出48bit的数据包,而基于帧读出模式在测量结束后读出数据。如下图所示:


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从上图可以看出,Timepix 3测量的开始和结束是通过“快门”(Shutter)控制的。

两种读出模式,数据包都含有16bit像素地址和28bit数据。多芯片拼接时,通过Chip ID来区分是哪个芯片的数据。


下期预告

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Timepix3芯片原理及多种应用介绍

(应用篇)

基于Timepix3/Timepix芯片探测器/相机的应用

1

基本Timepix3芯片的AdvaPIX TPX3电子探测器用于4D STEM

2

基于Timepix3/Timepix芯片的MiniPIX TP3探测器用于辐射源的探测

3

用于软x射线成像和光谱应用的光子计数MCP/Timepix探测器

4

一种简单的实验表征和验证质子束轮廓的方法-基于MiniPIX TPX探测器

5

使用 CdTe Timepix3 探测器的能量敏感 X 射线相衬成像

6

MiniPIX Timepix3 -带有板载数据处理的小型化辐射相机用于宽强度范围混合辐射场在线表征


Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所,致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。Advacam最核心的技术特点是其X射线探制器(应用CERN Timepix、Medipix芯片),没有拼接缝隙(No Gap),因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam与NASA(美国航空航天局)及ESA(欧洲航空航天局)保持长期良好的项目合作关系。2021年,spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。


北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司中国区的总代理,也在积极推广Timex / Medipix芯片技术,并探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用,目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机,及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机,我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们,我们可以一起尝试做更多的事情。



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