[논문 리뷰] TEMPUS, a Timepix4-based system for event-based X-rays detection

Jonathan Correa, Alexandr Ignatenko외 17명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 PETRA III와 ESRF에서 초기 테스트에서 10 ns 이내의 시간 해상도를 달성한, 이벤트 기반의 나노초 해상도 X선 검출을 위한 Timepix4 기반 단일 칩 X선 검출기 시스템인 TEMPUS를 제시한다. 이 시스템은 고프레임레이트 포톤 카운팅 모드와 정밀한 타임스탬핑 모드를 모두 지원하며, 핵공명 산란 및 X선 포톤 상관 스펙트로스코피와 같은 초고속 X선 과학 응용 분야에서의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

A readout system based on the Timepix4 ASIC, is being developed for photon science. The TEMPUS detector can be operated in two distinct modes: a photon counting mode, which allows for conventional full-frame readout at rates up to 40 kfps; and an event-driven time-stamping mode, which allows excellent time resolution in the nanosecond regime in measurements with moderate X-ray flux. In this paper, we introduce the initial prototype, a single-chip system, and present the first results obtained at PETRA III and ESRF.

연구 동기 및 목표

• 싱크로트론 시설에서 구형 LAMBDA 시스템을 대체할 차세대 X선 검출기를 개발한다.
• 초고속 동역학 연구를 위해 나노초 해상도의 이벤트 기반 X선 검출을 가능하게 한다.
• Timepix4 ASIC의 이중 모드 작동(포톤 카운팅 및 타임스탬핑)을 활용하여 데이터 효율성과 시간 해상도를 향상시킨다.
• PETRA IV와 같은 제4세대 라이트 소스의 고 brilliance X선 비임을 해결한다.
• 핵공명 산란(NRS) 및 X선 포톤 상관 스펙트로스코피(XPCS)와 같은 새로운 기법을 마이크로초 이내의 시간 스케일에서 지원한다.

제안 방법

• 448×512 픽셀, 55 µm 피치를 갖춘 Timepix4 ASIC을 사용하며, 고대역폭 읽기 위해 16개의 고속 Gb/s 데이터 링크를 제공한다.
• 두 가지 모드로 작동한다: (1) 최대 40 kfps의 프레임 레이트를 갖는 전통적 포톤 카운팅 모드, (2) 200 ps 이격으로 Time-of-Arrival(ToA)과 Time-over-Threshold(ToT)를 위한 이벤트 기반 타임스탬핑 모드.
• 사용자 정의된 단일 칩 설계를 통해 300 µm 두께의 홀 수확형 실리콘 센서를 사용하여 사각지대를 최소화하고 넓은 입체각 커버리지를 지원한다.
• 시간 워크 보정 및 에너지 분류를 적용하여 ToA 분포의 아티팩트를 줄이고 시간 해상도를 향상시킨다.
• 외부 트리거와 디지털 픽셀 입력을 사용하여 X선 포톤 도착 시점에 대해 외부 이벤트를 타임스탬프로 기록한다.
• 실시간 데이터 수집 및 처리를 위해 최대 5.12 Gb/s(각 링크 기준), 총 80 Gb/s의 고속 데이터 링크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Timepix4 ASIC은 중간 광자 빔 조건에서 X선 검출에서 10 ns 이내의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 센서 두께와 전하 수확 시간은 이벤트 기반 X선 검출에서 시간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 낮은 광자 빔 조건에서의 전체 프레임 포톤 카운팅에 비해 이벤트 기반 읽기 방식이 데이터 볼륨을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 TEMPUS 시스템은 PETRA III 및 ESRF와 같은 현대 싱크로트론 저장 고리의 개별 전자 빔 뱅크를 해상할 수 있는가?
• RQ5 현재 실리콘 센서 기술의 한계는 최적의 시간 해상도를 달성하는 데 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 보완할 수 있는가?

주요 결과

• PETRA III에서 TEMPUS 프로토타입은 고에너지 광자에 대해 23.3 ns(FWHM), 저에너지 광자에 대해 9.7 ns의 시간 해상도를 달성했으며, 예상치와 일치한다.
• ESRF에서 시스템은 14.4 keV 및 17.2 keV 광자에 대해 각각 12.1 ns 및 8.5 ns의 시간 해상도를 기록했으며, 더 나은 펌웨어 전압 설정과 센서 품질 향상으로 향상되었다.
• ToA 분포는 PETRA III의 7/8 + 1 필링 모드에서 40개 빔 뱅크의 구조와 7/8 + 1 모드에서의 단일 빔 뱅크의 구조를 명확히 식별했다.
• 시간 워크 보정 및 에너지 분류로 인해 ToA 분포의 아티팩트가 크게 감소했지만, 전하 공유 및 저 ToT 이벤트로 인한 잔여 효과가 관찰되었다.
• 16 Gb/s 링크를 통한 안정적인 고속 데이터 수집이 가능했으며, Timepix4의 이론적 최대 대역폭 80 Gb/s를 완전히 활용했다.
• 센서 한계—특히 300 µm 두께의 홀 수확형 실리콘 센서—가 시간 해상도 향상의 주요 요인로 규명되었으며, 전자 수확형 센서나 LGAD를 사용할 경우 성능 향상이 가능할 것으로 제안된다.