[논문 리뷰] Measurement of camera image sensor depletion thickness with cosmic rays

J. Vandenbroucke, S. BenZvi외 11명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 30.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 소비자 스마트폰의 카메라 이미지 센서의 고갈 두께를 우주선 미온 트랙을 사용하여 측정하는 새로운 방법을 제시한다. HTC Wildfire S에서 트랙 길이 분포를 분석함으로써 저자들은 고갈 두께를 13.9 μm에서 27.7 μm 사이로 측정하였으며, 스마트폰 센서를 방향성 우주선 탐지에 활용할 수 있음을 검증하고 보정된 장치를 통해 향후 입자 방향 재구성 가능성을 열어 놓았다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주선 미온 트랙을 이용하여 소비자용 스마트폰 카메라 센서의 고갈 두께를 측정하기.
• 특히 우주선 미온과 같은 비가역성 방사선에 대한 소비자용 CMOS 센서의 탐지 가능성을 검증하기.
• 트랙 길이 및 방향성 데이터를 조합하여 우주선 미온의 입사 방향을 재구성할 수 있도록 하기.
• DECO와 같은 스마트폰 기반 네트워크가 고정밀, 대규모 우주선 모니터링을 가능하게 할 수 있음을 보여주기.
• 표준 사양에서 공개되지 않은 센서 파라미터를 보정하여 활용 가능하게 하기.

제안 방법

• 분산 전자 우주선 관측소(DECO) 네트워크를 활용하여 스마트폰에서 연속적인 카메라 이미지를 수집하기.
• CPU 온라인 필터를 적용하여 픽셀 강도 임계값과 다중성(일般적으로 ≥5 픽셀) 기반으로 입자 후보를 식별하기.
• 이론적 두 형태를 사용하여 트랙 길이 분포를 모델링하기: 하나는 등방성 입자 입사 가정, 다른 하나는 알려진 해면 수준의 우주선 미온 입사 각도 분포 기반.
• 관측된 트랙 길이 분포를 양 모델에 적합시키며, 고갈 두께 H를 자유 매개변수로 사용하여 최적의 값을 도출하기.
• 등방성 및 우주선 입사 각도 분포 하에서 dN/dL(단위 길이당 트랙 수)에 대한 해석적 표현을 도출하며, 기하학적 요소와 H 및 L에 대한 삼각함수 의존성을 포함하기.
• 우리가 측정한 결과의 물리적 타당성을 확인하기 위해 모델 적합도를 비교하고, 우주선 입사 각도 분포를 등방성보다 우선 선택하기 위해 우도 비율 검정을 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTC Wildfire S 스마트폰의 이미지 센서 고갈 두께는 우주선 미온 트랙을 통해 얼마나 측정되는가?
• RQ2 관측된 트랙 길이 분포는 우주선 미온 입사 각도 분포를 더 잘 설명하는가, 아니면 등방성 분포를 더 잘 설명하는가?
• RQ3 스마트폰 카메라 센서는 우주선 미온의 입사 방향을 신뢰성 있게 재구성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 노이즈 및 신호 처리 특성이 상이한 소비자 기기들이 입자 탐지에 대해 얼마나 정교하게 校정될 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 다른 스마트폰 모델로 일반화되어 대규모 우주선 방향 모니터링을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• HTC Wildfire S 센서의 고갈 두께는 13.9 μm에서 27.7 μm 사이로 측정되었으며, 등방성 분포보다 우주선 입사 각도 분포가 더 선호됨을 확인함.
• 관측된 트랙 길이 분포는 등방성 모델보다 알려진 우주선 미온 입사 각도 분포에 의해 훨씬 더 잘 기술되며, 물리적 일관성을 시사함.
• 측정된 고갈 두께와 트랙 길이를 활용하여 각 이벤트별 입사 극각을 재구성할 수 있음.
• 수평각은 센서 평면 내 트랙 방향에서 직접적으로 결정되며, 극각과 함께 조합하면 3차원 방향 재구성 가능.
• 트랙 밝기의 앞뒤 비대칭성은 트랙 축을 따라 방향성 모호성을 해결하는 데 도움을 줄 수 있으며, 향후 재구성 향상 가능성을 시사함.
• 이 접근법은 향후 대규모 기기 동시성 분석을 통해 동서 효과 탐지 및 광범위한 공기 샤워 탐지 가능성까지 열어 놓음.