[論文レビュー] Measurement of camera image sensor depletion thickness with cosmic rays

J. Vandenbroucke, S. BenZvi+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、宇宙線ミューオンの軌跡を用いて、消費者向けスマートフォンのカメライメージセンサーのデプリーション厚さを測定する新規手法を提示する。HTC Wildfire Sにおける軌跡長の分布を分析することで、著者らはデプリーション厚さを13.9 μm ～ 27.7 μm の間と特定し、スマートフォンセンサーを方向性のある宇宙線検出に利用可能であることを検証するとともに、校正済みデバイスを用いた今後の粒子の方向再構成を可能にする。

ABSTRACT

Camera image sensors can be used to detect ionizing radiation in addition to optical photons. In particular, cosmic-ray muons are detected as long, straight tracks passing through multiple pixels. The distribution of track lengths can be related to the thickness of the active (depleted) region of the camera image sensor through the known angular distribution of muons at sea level. We use a sample of cosmic-ray muon tracks recorded by the Distributed Electronic Cosmic-ray Observatory to measure the thickness of the depletion region of the camera image sensor in a commercial smart phone, the HTC Wildfire S. The track length distribution prefers a cosmic-ray muon angular distribution over an isotropic distribution. Allowing either distribution, we measure the depletion thickness to be between 13.9~$μ$m and 27.7~$μ$m. The same method can be applied to additional models of image sensor. Once measured, the thickness can be used to convert track length to incident polar angle on a per-event basis. Combined with a determination of the incident azimuthal angle directly from the track orientation in the sensor plane, this enables direction reconstruction of individual cosmic-ray events.

研究の動機と目的

• 宇宙線ミューオンの軌跡を用いて、商業用スマートフォンカメラセンサーのデプリーション厚さを測定すること。
• 特に宇宙線ミューオンを含む電離放射線の検出器として、一般消費者向けCMOSセンサーの利用可能性を検証すること。
• 軌跡長と方向性データを統合することで、宇宙線ミューオンの入射方向の再構成を可能にすること。
• DECOのようなスマートフォンベースのネットワークが、高精度で大規模な宇宙線モニタリングを提供できることを示すこと。
• 標準仕様では公開されていないセンサーのパラメータを、校正によって特定すること。

提案手法

• スマートフォンからの継続的なカメラ画像収集を目的とした、分散型電子的宇宙線観測所（DECO）ネットワークを活用する。
• CPUオンラインフィルタを適用し、画素の振幅しきい値と多重度（通常 ≥5 ピクセル）に基づいて粒子候補を同定する。
• 理論的2形式を用いて軌跡長分布をモデル化する：1つは等方的入射を仮定したモデル、もう1つは既知の地上付近の宇宙線ミューオンの方位分布に基づくモデル。
• 観測された軌跡長分布を両モデルにフィットさせ、デプリーション厚さ H を自由パラメータとして用い、最良の適合値を求める。
• 等方的および宇宙線の方位分布の両条件下での dN/dL（単位長さあたりの軌跡数）の解析的表現を導出する。幾何的要因および H と L に依存する三角関数的依存性を組み込む。
• 尤度比検定を用いてモデルの適合を比較し、等方的分布よりも宇宙線の方位分布を優先することで、測定の物理的妥当性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HTC Wildfire S スマartフォンのイメージセンサーにおけるデプリーション厚さは、宇宙線ミューオンの軌跡によってどのように測定されるか？
• RQ2 観測された軌跡長分布は、宇宙線ミューオンの方位分布モデルか、等方的分布モデルのどちらを支持するか？
• RQ3 スマートフォンカメラセンサーは、宇宙線ミューオンの入射方向を信頼性高く再構成できるか？
• RQ4 ノイズや信号処理特性が異なるさまざまな消費者用デバイスが、粒子検出に校正可能である程度はどの程度か？
• RQ5 この手法は他のスマートフォンモデルへ一般化可能であり、大規模な方向性宇宙線モニタリングを可能にするか？

主な発見

• HTC Wildfire S センサーのデプリーション厚さは、13.9 μm ～ 27.7 μm の間で測定され、宇宙線の方位分布が等方的分布よりも優先される。
• 軌跡長分布は、等方的モデルよりも既知の宇宙線ミューオンの方位分布によって顕著に良く説明され、物理的整合性が裏付けられる。
• 本手法により、測定されたデプリーション厚さと軌跡長を用いて、各イベントごとのミューオンの入射極角を再構成可能である。
• 方位角はセンサー面上の軌跡の向きから直接決定され、極角と組み合わせることで3次元方向再構成が可能になる。
• 軌跡の明るさにおける前後非対称性は、軌跡軸に沿った方向の曖昧さを解消する手がかりとなり得る。これにより、再構成精度の向上が期待される。
• 本アプローチにより、将来的な大規模なデバイス間一致を用いた東西効果の検出や、広大な空気シャワーの検出への道が開かれる。