[論文レビュー] TEMPUS, a Timepix4-based system for event-based X-rays detection

Jonathan Correa, Alexandr Ignatenko+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、PETRA IIIおよびESRFでの初期試験で10ナノ秒未塔の時間分解能を達成した、Timepix4ベースの1チップX線検出器システムTEMPUSを提案する。このシステムは、高フレームレートの光子カウンティングモードと、正確なタイムスティンピングモードの両方で動作し、超高速X線科学の応用分野（例：核共鳴散乱、X線フォトン相関スペクトロスコピー）に適していることが示された。

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.

研究の動機と目的

• 同期加速器施設におけるレガシーモデルLAMBDAシステムの後続機器としての次世代X線検出器の開発。
• 超高速ダイナミクス研究のため、ナノ秒分解能を有するイベント駆動型X線検出を実現。
• Timepix4 ASICの二重モード動作（光子カウンティングおよびタイムスティンピング）を活用し、データ効率と時間分解能の向上を図る。
• PETRA IVのような4世代目光源における高輝度X線ビームの課題に対応。
• ナノ秒未塔の時間スケールで実施可能な新規技術、例えば核共鳴散乱（NRS）およびX線フォトン相関スペクトロスコピー（XPCS）を支援。

提案手法

• 448×512ピクセル、55 µmピッチのセンサを備えたTimepix4 ASICを採用。16本の高速Gb/sデータリンクにより、高帯域幅の読み出しを実現。
• 2つのモードで動作：(1) 40 kfpsまでのフレームレートを達成する従来の光子カウンティングモード、(2) 200 psのチャンク解像度を有するイベント駆動型タイムスティンピングモード（到着時刻（ToA）および電荷積算時間（ToT）測定）。
• 300-µm厚のホールコレクティングシリコンセンサを用いた1チップ設計により、デッドエリアを最小限に抑え、広い立体角カバレッジを実現。
• 時間ウォーク補正およびエネルギー分離処理を適用し、ToA分布におけるアーチファクトを低減し、時間分解能を向上。
• 外部トリガーおよびデジタルピクセル入力を用いて、X線光子の到着時刻に対する外部イベントのタイムスティンピングを実現。
• 最大5.12 Gb/s/リンク（合計80 Gb/s）の高速データリンクを活用し、リアルタイムのデータ取得および処理を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Timepix4 ASICは、中程度の放射線強度条件下で、X線検出において10ナノ秒未塔の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 センサ厚さおよび電荷収集時間は、イベント駆動型X線検出における時間分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 低放射線強度実験において、フルフレーム光子カウンティングと比較して、イベント駆動型読み出しはどれほどデータ量を削減できるか？
• RQ4 TEMPUSシステムは、PETRA IIIやESRFのような現代の同期加速器保存リングにおける個々の電子ビームバンチを解像できるか？
• RQ5 現在のシリコンセンサ技術の限界は、最適な時間分解能を達成する上でどのようなものであり、それらをどのように緩和できるか？

主な発見

• PETRA IIIでの試験で、高エネルギー光子に対して23.3 ns（FWHM）、低エネルギー光子に対して9.7 nsの時間分解能を達成。これは期待される値と整合的であった。
• ESRFでの試験では、14.4 keVおよび17.2 keVの光子に対して、それぞれ12.1 nsおよび8.5 nsの時間分解能を達成。バイアス電圧の最適化とセンサ品質の向上により性能が向上した。
• ToA分布は、PETRA IIIの7/8 + 1フィルリングモードにおける40ビームバンチ構造および1ビームバンチ構造を明確に解像した。
• 時間ウォーク補正およびエネルギー分離処理により、ToA分布におけるアーチファクトが顕著に低減されたが、電荷共有および低ToTイベントに起因する残存効果が観察された。
• 16 Gb/sリンクを用いた安定した高速データ取得が実証され、Timepix4の理論的帯域幅80 Gb/sを全量活用した。
• センサの制限要因として、300-µmのホールコレクティングシリコンセンサが主な要因であることが特定された。これにより、電子収集型センサやLGADを用いることで性能向上が期待される。