楊生輝 董明義 渠超越 田興成 董靜 吳冶馬驍妍 章紅宇 江曉山 歐陽(yáng)群 李嵐坤 鄭國(guó)恒

1) (鄭州大學(xué)物理學(xué)院(微電子學(xué)院), 鄭州 450001)

2) (中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所, 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100049)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

硅像素探測(cè)器因具有優(yōu)異的空間分辨率、極高的耐計(jì)數(shù)能力和較低的功耗等優(yōu)點(diǎn), 近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于高能對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的頂點(diǎn)探測(cè)器和內(nèi)徑跡探測(cè)器.基于MIMOSA28芯片的硅像素探測(cè)器研究是北京譜儀Ⅲ漂移室內(nèi)室的升級(jí)預(yù)研方案之一, 該方案計(jì)劃建造一個(gè)漂移室內(nèi)室1/10規(guī)模的模型.探測(cè)模塊是該模型的基本探測(cè)單元.為了對(duì)探測(cè)模塊的性能進(jìn)行研究, 搭建了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由五層探測(cè)模塊、讀出電子學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)組成.本文圍繞帶有觸發(fā)標(biāo)記的連續(xù)數(shù)據(jù)讀出方法的實(shí)現(xiàn)、探測(cè)模塊的噪聲水平和放射源響應(yīng)測(cè)試以及擊中位置重建算法研究展開.測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了探測(cè)模塊工作性能良好, 觸發(fā)讀出邏輯正確, 而且重建算法準(zhǔn)確有效, 為后續(xù)探測(cè)模塊性能的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ).

1 引 言

基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)[1]工藝的像素傳感器, 具有極高的空間分辨(可達(dá)幾μm)、計(jì)數(shù)率(108Hz/cm2)和探測(cè)效率(約100%), 良好的抗輻照性能以及可在室溫下工作等特點(diǎn), 近二三十年在高能物理實(shí)驗(yàn)中得到迅速發(fā)展, 成為頂點(diǎn)探測(cè)器和徑跡探測(cè)器的主要技術(shù).并且, 由于采用高度工業(yè)化的CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝及先進(jìn)光刻技術(shù), 并借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(electronic design automation,EDA)[2]工具, 可以縮短像素傳感器芯片的研發(fā)周期, 降低其研制成本.目前, 美國(guó)相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(relativistic heavy ion collider, RHIC)上的STAR實(shí)驗(yàn)[3,4]已采用此類型芯片成功升級(jí)了其頂點(diǎn)探測(cè)器, 歐洲核子中心(European Organization for Nuclear Research, CERN)大 型 強(qiáng) 子 對(duì) 撞 機(jī)(large hadron collider, LHC)[5]上的ALICE[6]實(shí)驗(yàn)也選擇了CMOS像素傳感器(稱為ALPIDE)[7]對(duì)其內(nèi)徑跡探測(cè)器系統(tǒng)(inner tracking system,ITS)進(jìn)行升級(jí)[8].在國(guó)內(nèi)高能物理領(lǐng)域, 硅像素探測(cè)器的研究和應(yīng)用也在積極開展[9,10].其中, 為了對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)Ⅱ(Beijing electron positron collider Ⅱ, BEPCⅡ)[11]上的高精度通用探測(cè)器—北京譜儀Ⅲ(Beijing spectrometer Ⅲ, BESⅢ)[12]的主漂移室(multilayer drift chamber, MDC)內(nèi)室進(jìn)行升級(jí)改造, 提出了采用單片式有源像素傳感器(monolithic active pixel sensor, MAPS)[13,14]建造1/10內(nèi)室規(guī)模的硅像素探測(cè)器模型的升級(jí)預(yù)研方案.MAPS的傳感器和專用讀出電子學(xué)集成在同一塊芯片上, 有利于降低探測(cè)器的物質(zhì)的量, 減小多次散射, 從而提高帶電粒子徑跡的測(cè)量精度.預(yù)研方案采用法國(guó)IPHC(Institute Pluridisciplinaire Hubert Curien)研制的MIMOSA28芯片[15],其空間分辨率可達(dá)到3.5—4.0 μm, 計(jì)數(shù)能力可達(dá)106Hz/cm2[16], 遠(yuǎn)高于漂移室內(nèi)室的最大事例率(約為4 kHz/cm2)[12], 完全滿足BESⅢ 漂移室內(nèi)室升級(jí)的要求.

探測(cè)模塊是硅像素探測(cè)器的基本單元, 其性能的測(cè)試研究在探測(cè)器研制過程中非常關(guān)鍵.本文介紹探測(cè)模塊性能研究測(cè)試系統(tǒng), 在此系統(tǒng)上, 對(duì)探測(cè)模塊芯片的噪聲水平進(jìn)行測(cè)試研究; 同時(shí), 為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)器模型不同模塊間的事例對(duì)齊, 研究并實(shí)現(xiàn)了帶觸發(fā)(trigger)標(biāo)記的數(shù)據(jù)連續(xù)讀出的方法;通過對(duì)探測(cè)模塊的放射源測(cè)試, 研究了探測(cè)模塊的響應(yīng)性能以及粒子擊中位置重建算法.該研究為后續(xù)進(jìn)一步測(cè)試探測(cè)模塊以及探測(cè)器模型的性能奠定了基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖1為測(cè)試系統(tǒng)示意圖, 主要包含三個(gè)部分:五層探測(cè)模塊, 讀出電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(data acquisition, DAQ).

圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1.Schematic of the experimental setup in the laboratory.

五層探測(cè)模塊平行放置, 其間距設(shè)置值是影響探測(cè)模塊空間分辨率測(cè)量精度的一個(gè)重要參量.隨著探測(cè)模塊間距的增大, 當(dāng)帶電粒子穿過探測(cè)模塊時(shí), 受多次庫(kù)侖散射的影響, 徑跡偏轉(zhuǎn)程度(L)增大, L計(jì)算公式為

其中d表示相鄰探測(cè)模塊的間距, θ0表示帶電粒子穿過探測(cè)模塊時(shí)散射角的平均值, 可用Highland公式[17]描述:

其中, βc和p分別表示入射粒子的速度和動(dòng)量,Z表示入射粒子的電荷量, x/X0為探測(cè)模塊的物質(zhì)的量.L的增大將會(huì)導(dǎo)致粒子徑跡重建精度降低, 從而影響探測(cè)模塊的空間分辨率.因此, 探測(cè)模塊的間距需盡可能小, 但考慮到探測(cè)模塊的元器件高度和安裝操作空間的要求, 將兩個(gè)探測(cè)模塊之間的間距設(shè)置為20 mm.

2.1 探測(cè)模塊

探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)在滿足核心功能的基礎(chǔ)上, 還滿足低物質(zhì)的量和高強(qiáng)度的要求, 從而減少多次庫(kù)侖散射, 提高測(cè)量精度.探測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示, 10片減薄至50 μm的MIMOSA28芯片緊密排布在kapton柔性電纜上, 柔性電纜和芯片之間通過打線(wire bonding)實(shí)現(xiàn)電氣連接.碳纖維復(fù)合板位于探測(cè)模塊的最底層, 為探測(cè)模塊提供穩(wěn)定的機(jī)械支撐.MIMOSA28芯片、柔性電纜和碳纖維復(fù)合板之間通過丙烯酸酯膠粘接成一個(gè)整體.

圖2 探測(cè)模塊結(jié)構(gòu)Fig.2.Structure of the detector module.

MIMOSA28芯片是由法國(guó)IPHC研究所設(shè)計(jì)的基于標(biāo)準(zhǔn)0.35 μm CMOS工藝的芯片.該芯片在高阻襯底上生長(zhǎng)外延層作為靈敏層, 外延層厚度為15 μm, 電阻率為400 Ω·cm.芯片尺寸為20.22 mm × 22.71 mm, 像素陣列 為928(行) ×960(列), 像素尺寸為20.7 μm.芯片的每個(gè)像素包括一個(gè)放大器和一個(gè)相關(guān)雙采樣電路(correlated double sampling, CDS)[18], 并且在每一列底部還配有一個(gè)甄別器, 用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)(0或1, 即像素是否被擊中著火).芯片采用逐行掃描的讀出方式, 按幀格式輸出數(shù)據(jù).為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)輸出, 該芯片引入了獨(dú)特的內(nèi)存管理機(jī)制, 采用兩個(gè)存儲(chǔ)模塊用來(lái)交替存儲(chǔ)和輸出數(shù)據(jù),每幀讀出時(shí)間為185.6 μs[15].

2.2 讀出電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

讀出電子學(xué)系統(tǒng)由數(shù)字讀出板、讀出控制板、START信號(hào)扇出板、Trigger信號(hào)扇出板以及時(shí)鐘扇出板等部分組成, 如圖1所示.探測(cè)模塊通過Samtec高速電纜與數(shù)字讀出板連接.數(shù)字讀出板以Xinlinx公司的XC7K325T-2FFG676型現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片[19]作為核心控制器, 負(fù)責(zé)配置芯片的工作參數(shù), 產(chǎn)生MIMOSA28芯片的工作時(shí)鐘, 同時(shí)接收探測(cè)模塊上的MIMOSA28芯片輸出的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行解析、對(duì)齊、串并轉(zhuǎn)換、重新組裝等操作.組裝后的數(shù)據(jù)在芯片數(shù)據(jù)(chip data)的基礎(chǔ)上添加了探測(cè)模塊的標(biāo)志信息(ladder flag)、模塊觸發(fā)號(hào)(ladder trigger count)、模塊幀號(hào)(ladder frame count)、模塊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(ladder data length)、模塊數(shù)據(jù)結(jié)尾(ladder data end)和芯片的標(biāo)志信息(chip flag), 構(gòu)成的數(shù)據(jù)包格式如圖3所示.數(shù)據(jù)包采用TCP/IP協(xié)議, 通過千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)紻AQ進(jìn)行離線存儲(chǔ).

圖3 探測(cè)模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA處理后的格式Fig.3.Format of the data of the detector module processed by FPGA.

讀出控制板接收來(lái)自DAQ發(fā)送的啟動(dòng)和停止取數(shù)的控制命令, 并根據(jù)這個(gè)命令產(chǎn)生啟動(dòng)(START)或停止(STOP)信號(hào), 然后通過START信號(hào)扇出板輸出到每個(gè)探測(cè)模塊的數(shù)字讀出板, 控制每個(gè)數(shù)字讀出板的起始與停止?fàn)顟B(tài).塑料閃爍體計(jì)數(shù)器將粒子穿過閃爍體產(chǎn)生的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào), 該脈沖信號(hào)在Trigger信號(hào)扇出板內(nèi)經(jīng)過處理后變成數(shù)字信號(hào), 然后扇出到每個(gè)探測(cè)模塊的數(shù)字讀出板, 作為觸發(fā)信號(hào)被FPGA接收并處理.時(shí)鐘扇出板生成100 MHz的同步時(shí)鐘信號(hào)用于同步每個(gè)數(shù)字讀出板的工作狀態(tài).

DAQ采用慢控制協(xié)議發(fā)送啟動(dòng)和停止指令以控制數(shù)據(jù)讀取的進(jìn)程, 同時(shí)通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol, UDP)傳輸探測(cè)模塊上的MIMOSA28芯片的配置數(shù)據(jù)和電子學(xué)的配置數(shù)據(jù).DAQ還通過TCP/IP協(xié)議接收數(shù)字讀出板發(fā)出的數(shù)據(jù)包, 并將它們存儲(chǔ)到硬盤上以用于離線分析.

2.3 帶觸發(fā)標(biāo)記的連續(xù)讀出方法

由MIMOSA28芯片的逐行掃描機(jī)制和內(nèi)存管理機(jī)制[15]可知, 當(dāng)帶電粒子擊中芯片使像素著火時(shí), 若擊中位置位于當(dāng)前掃描位置之后, 則本次掃描可以記錄著火像素的信息, 正在存儲(chǔ)的這一幀數(shù)據(jù)(第m幀)就是當(dāng)前擊中所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù); 若擊中位置位于掃描位置之前, 則本次掃描無(wú)法記錄該著火像素的信息, 該著火信息將在下一次掃描中記錄, 則下一次掃描存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(第m+1幀)為本次擊中事例對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù), 因此對(duì)每個(gè)擊中事例, 理論上需要分析連續(xù)兩幀(第m幀和第m+1幀)數(shù)據(jù)以找到對(duì)應(yīng)的擊中信息.

為了確保不丟失數(shù)據(jù), 同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)探測(cè)器模型中不同模塊的事例對(duì)齊, 研究并實(shí)現(xiàn)了帶有觸發(fā)標(biāo)記的連續(xù)讀出方法.連續(xù)讀出的流程如圖4所示.

圖4 連續(xù)讀出流程Fig.4.Process of continuous readout.

啟動(dòng)讀數(shù)進(jìn)程之后, 探測(cè)模塊上10個(gè)芯片同時(shí)輸出數(shù)據(jù).由于探測(cè)模塊上芯片的位置與數(shù)據(jù)讀出模塊的距離不相等, 數(shù)據(jù)并不是嚴(yán)格地同時(shí)到達(dá)FPGA.為了保證能夠正確對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu), 在START命令發(fā)出后, FPGA先以MIMOSA28芯片的信號(hào)標(biāo)記位(MKD)作為每幀數(shù)據(jù)的起始標(biāo)志, 接收每個(gè)MIMOSA28芯片傳來(lái)的數(shù)據(jù), 然后根據(jù)每個(gè)芯片MKD的到達(dá)時(shí)間對(duì)先到的芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)(一般為1個(gè)時(shí)鐘周期), 從而將10個(gè)芯片數(shù)據(jù)對(duì)齊.對(duì)齊后的芯片數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換和重構(gòu)操作.與此同時(shí), 通過計(jì)算找到觸發(fā)信號(hào)與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的MKD的時(shí)間關(guān)系.當(dāng)系統(tǒng)判斷接收到了有效觸發(fā)信號(hào), 觸發(fā)號(hào)加1, 并根據(jù)預(yù)先計(jì)算出的時(shí)間關(guān)系找到該觸發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀, 將觸發(fā)號(hào)添加到數(shù)據(jù)幀里, 從而使數(shù)據(jù)與觸發(fā)對(duì)應(yīng)起來(lái).如果沒有接收到觸發(fā)信息, 也將在數(shù)據(jù)幀里添加觸發(fā)號(hào), 但觸發(fā)號(hào)不變.通過這樣的方式既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)讀出, 又保證了觸發(fā)與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器模型不同模塊間的事例對(duì)齊, 便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析.

3 測(cè)試與分析

3.1 觸發(fā)邏輯測(cè)試

為了驗(yàn)證觸發(fā)讀出邏輯的正確性, 采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)(頻率為5 kHz, 幅度為–600 mV, 脈寬為100 ns)作為觸發(fā)信號(hào), 同時(shí)對(duì)五層探測(cè)模塊進(jìn)行測(cè)試, 每個(gè)模塊都獲取200萬(wàn)幀的數(shù)據(jù).圖5為測(cè)試結(jié)果, 其中橫坐標(biāo)為觸發(fā)號(hào),縱坐標(biāo)為每次觸發(fā)模塊2—模塊5的數(shù)據(jù)幀號(hào)分別與模塊1的數(shù)據(jù)幀號(hào)相減得到的值.根據(jù)測(cè)試結(jié)果, 不同探測(cè)模塊的數(shù)據(jù)中, 每次觸發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀號(hào)隨機(jī)出現(xiàn)相等或差值為1的情況, 這是由于觸發(fā)扇出板所扇出的信號(hào)實(shí)際上不是理想對(duì)齊的信號(hào), 并且由于線路延時(shí)的影響, 觸發(fā)信號(hào)到達(dá)FPGA的時(shí)間有細(xì)微差別, 在邏輯判斷時(shí), 觸發(fā)號(hào)變化會(huì)有先后順序, 時(shí)間間隔為納秒級(jí)(遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)幀的間隔185.6 μs).當(dāng)觸發(fā)號(hào)在兩幀數(shù)據(jù)交界附近變化時(shí), 在FPGA內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)號(hào)寫入, 可能會(huì)出現(xiàn)同一觸發(fā)號(hào)寫在不同的兩幀(幀號(hào)連續(xù))數(shù)據(jù)上, 從而導(dǎo)致同一觸發(fā)號(hào)對(duì)應(yīng)的幀號(hào)差值出現(xiàn)1.但考慮到讀出及觸發(fā)標(biāo)記機(jī)制(2.3節(jié))、硬件延時(shí)固定的因素, 即使在下一幀數(shù)據(jù)中觸發(fā)號(hào)又發(fā)生了變化, 該觸發(fā)號(hào)對(duì)應(yīng)的幀號(hào)最多差1或恢復(fù)為0,不會(huì)出現(xiàn)差2或不斷增加的情況.結(jié)合MIMOSA28芯片的內(nèi)存管理機(jī)制, 若每個(gè)事例都取連續(xù)三幀(有效觸發(fā)對(duì)應(yīng)的前一幀, 當(dāng)前幀和后一幀)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 上述幀號(hào)差1的情況將不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失, 并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同模塊間的事例對(duì)齊.

圖5 每次觸發(fā)模塊2—模塊5對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀號(hào)與模塊1對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀號(hào)的差值Fig.5.Difference of the frame number between module 2– module 5 and module1 corresponding to the same event (trigger).

3.2 噪聲測(cè)試

3.2.1 閾值掃描

噪聲水平是探測(cè)模塊的一個(gè)重要的參數(shù), 通過芯片甄別器的閾值掃描可以獲取探測(cè)模塊上芯片的噪聲水平.設(shè)置合適的甄別器閾值可以有效降低芯片的噪聲計(jì)數(shù), 同時(shí)又能保證探測(cè)模塊不損失效率.室溫下將芯片每列的甄別器設(shè)置不同的閾值,測(cè)試芯片像素在不同閾值下的噪聲響應(yīng), 以獲得芯片的傳輸曲線、暫態(tài)噪聲(temporal noise, TN)、固定模式噪聲(fixed pattern noise, FPN)以及甄別器DAC的參考值等.DAC的掃描范圍為0—255, 掃描步長(zhǎng)為5.對(duì)芯片所有列的噪聲傳輸曲線采用正態(tài)分布的累積分布函數(shù)進(jìn)行擬合.正態(tài)分布的累積分布函數(shù)為

其中P0, P1, P2均是擬合參數(shù), e rfc(x) 的定義為

將P1和P2分別填入直方圖, 使用高斯函數(shù)擬合后得到傳輸曲線的均值(Mean)和標(biāo)準(zhǔn)差(Sigma)分布直方圖如圖6所示, 其中Mean分布圖的Sigma值代表每列甄別器閾值不一致性, 為FPN; Sigma分布圖的Mean值為芯片的TN.

圖6 探測(cè)模塊的噪聲水平(1 ADC=0.25 mV) (a) 傳輸曲線的Mean值分布(FPN為1.01067 ADC, 轉(zhuǎn)換成電壓值為0.253 mV);(b) 傳輸曲線的Sigma值分布(TN為6.60172 ADC, 轉(zhuǎn)換成電壓值為1.65 mV)Fig.6.Noise level of detector module (1 ADC unit = 0.25 mV): (a) Mean distribution of transmission curve (FPN is 1.01067 ADC,converted into the voltage is 0.253 mV); (b) Sigma distribution of transmission curve (TN is 1.01067 ADC, converted into the voltage is 1.65 mV).

芯片的噪聲(σ)定義為

而芯片的甄別器閾值可設(shè)置為

其中MeanFPN是Mean分布圖的Mean值.n的下限需要通過在無(wú)放射源的情況下測(cè)試不同閾值下芯片像素的誤擊中率(fake hit rate, FHR)來(lái)確定,芯片正常工作的最小閾值所對(duì)應(yīng)的n值即為n的下限.n值的上限需要通過測(cè)試模塊的探測(cè)效率來(lái)確定, 標(biāo)準(zhǔn)為其對(duì)應(yīng)的閾值不明顯影響探測(cè)模塊的探測(cè)效率, 這將在后續(xù)的束流測(cè)試中研究.

3.2.2 誤擊中率

FHR定義為

其中Number of frames為測(cè)試中獲取的數(shù)據(jù)幀數(shù),Number of pixels為芯片像素?cái)?shù), Fired pixels代表測(cè)試中著火像素的總數(shù).

在不同閾值條件下測(cè)得FHR隨閾值的變化如圖7所示.可以看出, 芯片的誤擊中率隨著閾值的增大呈下降趨勢(shì), 閾值設(shè)置為4σ及以上時(shí)(n ≥ 4),每幀每個(gè)像素的誤擊中率低于 1 0?5, 在該閾值下,芯片的噪聲不會(huì)對(duì)探測(cè)模塊的效率產(chǎn)生影響.

圖7 誤擊中率隨閾值的變化Fig.7.FHR as a function of the threshold.

3.3 探測(cè)模塊響應(yīng)和成像性能測(cè)試

為了驗(yàn)證探測(cè)模塊的功能是否正常, 根據(jù)閾值掃描和誤擊中率測(cè)試的結(jié)果對(duì)MIMOSA28芯片的甄別器設(shè)置合適的閾值 M eanFPN+4σ , 并用90Sr放射源對(duì)5層探測(cè)模塊進(jìn)行了響應(yīng)測(cè)試.

放射源放置在第五層模塊的前方, 電子束經(jīng)準(zhǔn)直圓孔后連續(xù)穿過5層探測(cè)模塊, 最后進(jìn)入第一層后方的閃爍體計(jì)數(shù)器, 閃爍體計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)作為五層探測(cè)模塊的觸發(fā)信號(hào).在進(jìn)行擊中挑選時(shí),根據(jù)3.1節(jié)的觸發(fā)邏輯測(cè)試結(jié)果, 分析每次觸發(fā)對(duì)應(yīng)的前一幀和后兩幀的數(shù)據(jù).五層探測(cè)模塊的擊中挑選結(jié)果如圖8所示.可以看到, 距離放射源最近的模塊5和模塊4上有一個(gè)明顯的亮斑, 這是電子通過準(zhǔn)直圓孔在芯片上所成的像, 另外由于90Sr衰變產(chǎn)生的電子能量較低, 受多次庫(kù)侖散射的影響,距離放射源越遠(yuǎn)的探測(cè)模塊, 擊中數(shù)目逐漸變少,因此準(zhǔn)直孔的像逐漸變得模糊.但距離放射源最遠(yuǎn)的模塊1上也顯示出一個(gè)近似圓形的陰影, 這是由于產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的閃爍體距離模塊1最近, 模塊1上擊中粒子的位置受觸發(fā)閃爍體位置和尺寸的影響最大, 該陰影代表了閃爍體的位置和尺寸.此測(cè)試結(jié)果表明探測(cè)模塊能夠正常工作, 且成像性能良好.

圖8 五層探測(cè)模塊擊中挑選結(jié)果(右側(cè)色溫表給出像素被擊中的次數(shù))Fig.8.Hit selection of the five-layer detection module (The rainbow indicates the number of times a pixel being hit).

3.4 擊中重建算法

3.4.1 Charge sharing效應(yīng)

由于MIMOSA28芯片的PN結(jié)工作在非耗盡模式下, 帶電粒子穿過MIMOSA28芯片的靈敏區(qū)所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)通過熱擴(kuò)散的方式被周圍的數(shù)個(gè)像素收集, 使像素著火, 形成簇團(tuán), 這就是電荷分享效應(yīng)[20].相比于每次事例僅有單個(gè)像素著火的情況, 利用著火簇團(tuán)的信息重建粒子在芯片上的擊中位置有利于提高芯片的空間分辨率.由于MIMOSA28芯片輸出數(shù)字信號(hào), 只能獲得像素是否著火的信息, 在進(jìn)行擊中位置重建時(shí)所有著火像素是平權(quán)的, 我們研究了不同算法如相鄰法和比較法來(lái)重建簇團(tuán)的幾何中心從而重建粒子在芯片上擊中位置.

3.4.2 重建算法——相鄰法和比較法

相鄰法的實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示, 其中白色方塊表示未著火的像素, 藍(lán)色方塊表示著火但未被標(biāo)記的像素, 黃色方塊表示著火且標(biāo)記過的像素.按照?qǐng)D9(a)—圖9(d)的順序, 首先確定一個(gè)著火像素,將其標(biāo)記為hit_1, 以這個(gè)像素為基準(zhǔn)尋找其周圍(上下左右)相鄰的著火像素, 同樣標(biāo)記為hit_1,然后再以相鄰像素為基準(zhǔn), 繼續(xù)尋找周圍的相鄰著火像素, 一直迭代下去直到找完hit_1的所有相鄰的著火像素, 再依據(jù)中心法把hit_1的著火像素坐標(biāo)重建為擊中位置, 然后重復(fù)hit_1著火像素尋找及擊中位置重建的過程, 尋找并重建該幀數(shù)據(jù)中其他擊中信息(hit_2, hit_3, ……).

比較法是將所有著火像素的行列坐標(biāo)放入數(shù)組, 遍歷數(shù)組中的像素, 將每一個(gè)像素與它之后的所有像素兩兩比較, 若比較判斷兩個(gè)像素相鄰則有四種情況, 如圖10所示, 方塊顏色的含義同圖9.

圖9 相鄰法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.9.Flow chart of adjacent method.

若兩個(gè)像素都未標(biāo)記, 則新建一個(gè)標(biāo)記, 將它們標(biāo)記為hit_1, 如圖10(a)所示; 若兩個(gè)像素一個(gè)有標(biāo)記(標(biāo)記值為hit_i)另一個(gè)未標(biāo)記, 則將未標(biāo)記的像素標(biāo)記為hit_i, 如圖10(b)所示; 若兩像素的標(biāo)記值相等, 則不需處理, 如圖10(c)所示; 若兩像素標(biāo)記值不同(標(biāo)記值分別為hit_j, hit_k,且j < k), 則將標(biāo)記值為hit_k的像素全標(biāo)記為hit_j, 如圖10(d)所示.像素遍歷完畢之后, 根據(jù)中心法分別把標(biāo)記號(hào)相同的著火像素重建成坐標(biāo).

假設(shè)每個(gè)擊中的簇團(tuán)有M個(gè)著火像素, 一幀數(shù)據(jù)中有N個(gè)擊中, 則兩種算法的復(fù)雜度如表1所列.

表1 兩種算法的復(fù)雜度比較Table 1.Comparison of the complexity of the two algorithms.

采用90Sr放射源測(cè)試兩種算法, 得到的cluster size分析結(jié)果相同, 如圖11所示, 驗(yàn)證了cluster重建算法的有效性.從圖11中可以看出, 每個(gè)擊中所引起的著火像素?cái)?shù)的平均值為2.562.在M =2.562的情況下, 經(jīng)分析計(jì)算, 當(dāng)N ≥ 4時(shí), 相鄰法能夠更快地找到所有著火像素, 反之比較法更快.

圖11 90Sr放射源測(cè)試得到芯片上cluster size的分布Fig.11.Cluster size distribution on the chip tested by 90Sr source.

4 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下, 對(duì)硅像素探測(cè)模塊的性能進(jìn)行了測(cè)試研究.通過探測(cè)模塊上芯片的噪聲水平測(cè)試, 測(cè)得其固定模式噪聲為0.253 mV, 瞬態(tài)噪聲為1.65 mV, 芯片閾值為4σ及以上時(shí)(n ≥4), 每幀每個(gè)像素的誤擊中率低于 1 0?5, 這種情況下噪聲對(duì)探測(cè)模塊的影響可以忽略.為了實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)模塊的事例對(duì)齊, 研究并實(shí)現(xiàn)了包含觸發(fā)標(biāo)記的MAPS數(shù)據(jù)連續(xù)讀出方法, 測(cè)試結(jié)果表明讀出邏輯正確, 可用于實(shí)現(xiàn)探測(cè)器模型中不同模塊的事例對(duì)齊.此外, 對(duì)芯片的擊中重建算法進(jìn)行了研究,90Sr放射源的電子引起的著火像素?cái)?shù)的平均值為2.562, 在這個(gè)值下, 當(dāng)每幀擊中數(shù)目大于或等于4時(shí), 相鄰法能夠更快地找到所有著火像素, 反之比較法更快.測(cè)試結(jié)果表明, 探測(cè)模塊和讀出電子學(xué)系統(tǒng)工作正常, 噪聲水平符合預(yù)期, 該研究為后續(xù)在束流上進(jìn)一步測(cè)試研究奠定了基礎(chǔ).