[論文レビュー] X-ray analog pixel array detector for single synchrotron bunch time-resolved imaging

Lucas J. Koerner, Sol M. Grüner|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2010

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、画素内に記憶機能を備え、150 nsの時間分解能を達成するアナログ統合ピクセルアレイ検出器を提案する。この検出器により、シンクロトロンにおける1バンチ時間分解X線イメージングが可能となり、1ピクセルあたり3.7×10³本のX線/トレインの照度条件下でもポisson限界の精度を達成し、163 kHzでビーム強度および位置の揺らぎを解像可能である。これにより、超高速ブラッグスポットダイナミクスおよびビーム診断に適した性能を示した。

ABSTRACT

Dynamic x-ray studies may reach temporal resolutions limited by only the x-ray pulse duration if the detector is fast enough to segregate synchrotron pulses. An analog integrating pixel array detector with in-pixel storage and temporal resolution of around 150 ns, sufficient to isolate pulses, is presented. Analog integration minimizes count-rate limitations and in-pixel storage captures successive pulses. Fundamental tests of noise and linearity as well as high-speed laser measurements are shown. The detector resolved individual bunch trains at the Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) at levels of up to 3.7x10^3 x-rays/pixel/train. When applied to turn-by-turn x-ray beam characterization single-shot intensity measurements were made with a repeatability of 0.4% and horizontal oscillations of the positron cloud were detected. This device is appropriate for time-resolved Bragg spot single crystal experiments.

研究の動機と目的

• 時間分解実験に適した、高速で高ダイナミックレンジを有するX線検出器の開発。個々のシンクロトロンバンチを解像可能であることを目的とする。
• 現在の検出器の限界（光子カウント型PADの計数レート飽和、統合型検出器の遅い読み出し）を克服し、画素内記憶およびアナログ統合を可能にする。
• ピコ秒〜マイクロ秒スケールの時間分解能を有する、1ショットで高精度なX線強度および位置揺らぎ測定を可能にする。ビーム診断およびポンププローブ研究に適する。
• 繰り返しのないダイナミクスを示す単結晶実験における時間分解ブラッグスポットイメージングの能力を実証する。
• 画素内フレーム記憶およびアナログ統合を用いて、高照度条件下でもポisson限界の測定精度を達成し、短時間露光でも高精度な測定を実現する。

提案手法

• 0.25 µmプロセスを用いた16×16ピクセルのCMOS ASICを設計・プロトタイピングし、高照度下での安定性を確保するため、放射線耐性設計および差動アンプアーキテクチャを組み込む。
• 金パッドメタライゼーションを有する高抵抗率シリコン（500 µm、n型）検出器層とASICをハイブリッド接合し、X線吸収および電荷収集効率を向上させる。
• 8つの容量素子（C_S1–C_S8）と4つのフロントエンド統合コンデンサ（C_F1–C_F4）を用いた画素内記憶を実装し、時間的に分離された露光ウィンドウにわたり累積を可能にする。
• FPGA制御を用い、10 ns分解能と30 ns最小露光時間でX線信号取得をゲーティングし、データ転送前に最大8,100フレームのバッファリングを管理する。
• 可変変換利得（最大6.5×）とフラッシュモード操作を備えたアナログ統合を適用し、中間読み出しを経ずに1回の読み出しサイクルで複数枚の画像を取得可能にする。
• パulsesレーザーおよびX線シンクロトロンビームを用いた実験により、ノイズ、線形性、およびFDEV（分数アラン偏差）解析を実施し、安定性および統計的精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログ統合ピクセルアレイ検出器は、153–176 ns間隔のシンクロトロンバンチを150 ns未満の時間分解能で分離可能か？
• RQ2 画素内記憶により、高照度下でもポisson限界の精度を達成する高ダイナミックレンジの1ショット測定が可能か？
• RQ3 2.56 µsスケールの時間分解能で、ビーム強度および位置の揺らぎ（例：ベタトロン振動）を解像可能か？
• RQ4 高照度条件下におけるノイズおよび線形性の性能は、理論的限界（特にポisson統計）と比較してどの程度か？
• RQ5 繰り返しのないサンプルダイナミクスを示す単結晶実験における時間分解ブラッグスポットイメージングに、本検出器は有効に使用可能か？

主な発見

• 検出器は150 nsの時間分解能を達成し、APSおよびESRFにおける153–176 ns間隔のシンクロトロンバンチを分離可能である。
• 検出器はポisson限界の精度を維持しており、分数偏差がポisson統計に一致（P = 0.0038²）しており、高照度下でも測定不確実性が主に光子統計に支配されていることを確認した。
• 1ピクセルあたり3.7×10³本のX線/トレインの照度条件下でも、1ショットで強度再現性0.4%を達成し、個々のバンチトレインを解像した。
• 163 kHzで水平ビーム位置の揺らぎを検出でき、陽電子クラウドのベタトロン振動と整合的であった。測定周波数は、390.1 kHzの回転周波数における227.7 kHzのアリasing周波数と一致した。
• 600 µsの読み出し時間は、一般的なポンプレーザーの繰り返し周波数を上回るため、ポンププローブ実験における効率的な1ショットデータ取得が可能である。
• 画素内記憶機能により、1回の読み出しでレーザーオンおよびレーザーオフの両画像をキャプチャでき、時間分解測定におけるドリフトに起因する誤差を低減した。