[论文解读] 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 1

一句话总结

本论文提出TEMPUS，一种基于Timepix4的单芯片X射线探测器系统，专为事件驱动、纳秒级时间分辨率的X射线检测而设计。该系统可在高帧率光子计数模式与精确时间戳模式下运行，在PETRA III和ESRF的初步测试中实现了亚10纳秒的时间分辨率，证明其在超快X射线科学应用（如核共振散射和X射线光子相关谱学）中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发下一代X射线探测器，以替代同步辐射设施中的传统LAMBDA系统。
• 实现事件驱动的X射线检测，具备纳秒级时间分辨率，用于超快动力学研究。
• 利用Timepix4 ASIC的双模运行特性（光子计数与时间戳），提升数据效率与时间分辨率。
• 应对第四代光源（如PETRA IV）中高亮度X射线束带来的挑战。
• 支持新兴技术，如核共振散射（NRS）与亚微秒时间尺度的X射线光子相关谱学（XPCS）。

提出的方法

• 采用Timepix4 ASIC，一种448×512像素、55 µm节距的传感器，配备16条高速Gb/s数据链路，实现高带宽读出。
• 运行于两种模式：(1) 传统光子计数，帧率最高达40 kfps；(2) 事件驱动时间戳，时间分辨率为200 ps，用于飞行时间（ToA）与脉冲宽度（ToT）。
• 采用单芯片设计，配备300-µm厚的孔收集型硅传感器，最大限度减少死区，支持大立体角覆盖。
• 应用时间走漂校正与能量甄别，以提升时间分辨率并减少ToA分布中的伪影。
• 利用外部触发与数字像素输入，实现外部事件相对于X射线光子到达时间的精确时间戳。
• 利用高速数据链路（每条链路最高5.12 Gb/s，总带宽80 Gb/s）实现实时数据采集与处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等通量条件下，Timepix4 ASIC能否实现亚10纳秒的X射线检测时间分辨率？
• RQ2 传感器厚度与电荷收集时间如何影响事件驱动X射线检测中的时间分辨率？
• RQ3 在低通量实验中，与全帧光子计数相比，事件驱动读出能在多大程度上减少数据量？
• RQ4 TEMPUS系统能否分辨现代同步辐射储存环（如PETRA III与ESRF）中的单个电子束团？
• RQ5 当前硅传感器技术在实现最优时间分辨率方面存在哪些限制？如何加以缓解？

主要发现

• 在PETRA III，TEMPUS原型机对高能光子的时间分辨率达到了23.3 ns（FWHM），对低能光子则为9.7 ns，与预期值一致。
• 在ESRF，系统对14.4 keV与17.2 keV光子的时间分辨率分别达到12.1 ns与8.5 ns，得益于优化的偏置电压与传感器质量。
• ToA分布清晰分辨出PETRA III在7/8 + 1填充模式下的40束团结构，以及7/8 + 1模式下的单束团结构。
• 时间走漂校正与能量甄别显著减少了ToA分布中的伪影，但电荷共享与低ToT事件仍存在残余影响。
• 系统通过16 Gb/s链路实现了稳定高速数据采集，充分使用了Timepix4的80 Gb/s理论带宽。
• 传感器限制——特别是300-µm孔收集型硅传感器——被确定为限制时间分辨率的主要因素，表明采用电子收集型传感器或LGAD可进一步提升性能。