[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种利用宇宙射线μ子轨迹测量消费级智能手机相机图像传感器耗尽层厚度的新方法。通过分析HTC Wildfire S中轨迹长度的分布，作者确定耗尽层厚度在13.9 μm至27.7 μm之间，验证了智能手机传感器用于方向性宇宙射线探测的可行性，并为经过校准的设备实现未来粒子方向重建奠定了基础。

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.

研究动机与目标

• 利用宇宙射线μ子轨迹测量消费级智能手机相机传感器的耗尽层厚度。
• 验证消费级CMOS传感器作为电离辐射探测器（特别是宇宙射线μ子）的适用性。
• 通过结合轨迹长度和方向数据，实现宇宙射线μ子的定向重建。
• 证明基于智能手机的网络（如DECO）可实现高精度、大规模的宇宙射线监测。
• 校准标准规格未公开的传感器参数。

提出的方法

• 利用分布式电子宇宙射线观测网（DECO）网络，从智能手机持续收集相机图像。
• 应用在线CPU滤波器，基于像素振幅阈值和多重性（通常≥5个像素）识别粒子候选。
• 使用两种理论形式建模轨迹长度分布：一种假设粒子入射方向各向同性，另一种基于已知的海平面宇宙射线μ子角度分布。
• 将观测到的轨迹长度分布与两种模型进行拟合，以耗尽层厚度H作为自由参数，确定最佳拟合值。
• 推导出在各向同性和宇宙射线角度分布下dN/dL（单位长度的轨迹数）的解析表达式，包含几何因子和与H、L相关的三角函数依赖关系。
• 使用似然比检验比较模型拟合效果，优先选择宇宙射线角度分布模型，证实测量结果的物理合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HTC Wildfire S智能手机图像传感器的耗尽层厚度通过宇宙射线μ子轨迹测量结果是多少？
• RQ2 观测到的轨迹长度分布更支持宇宙射线μ子角度分布还是各向同性分布？
• RQ3 智能手机相机传感器能否可靠地用于重建宇宙射线μ子的入射方向？
• RQ4 在噪声和信号处理特性各异的消费级设备中，该方法在多大程度上可实现粒子探测的校准？
• RQ5 该方法能否推广至其他智能手机型号，以实现大规模的方向性宇宙射线监测？

主要发现

• HTC Wildfire S传感器的耗尽层厚度测量结果为13.9 μm至27.7 μm之间，且宇宙射线角度分布优于各向同性模型。
• 轨迹长度分布显著更符合已知的宇宙射线μ子角度分布，而非各向同性模型，表明测量结果具有物理一致性。
• 该方法可利用测得的耗尽层厚度和轨迹长度，实现每个事件的入射极角重建。
• 方位角可直接从传感器平面内轨迹方向确定，结合极角后可实现完整的三维方向重建。
• 轨迹亮度在前后方向上的不对称性可能有助于解决沿轨迹轴方向的方位模糊性，暗示未来重建性能的提升潜力。
• 该方法为未来研究中通过大规模设备符合探测东-西效应及广延空气簇射打开了可能性。