Bewertung des Sony IMX290 CMOS Sensors zur Röntgenstrahlenerkennung

CMOS-Sensoren (komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) haben Aufmerksamkeit bekommen, weil sie in der Lage sind, Röntgenstrahlen zu erkennen. Im Vergleich zu traditionellen CCDs (Ladgekoppelte Geräte) bieten CMOS-Sensoren verschiedene Vorteile, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für kommende Röntgenmissionen machen. Es gibt jedoch einige Herausforderungen, die ihre Leistung beeinträchtigen, wie die Verbesserung ihrer Empfindlichkeit und die genaue Messung des Gewinns auf Pixelebene.

#Test des Sony IMX290 CMOS-Sensors

In unserer Forschung haben wir den Sony IMX290 CMOS-Sensor getestet, ein kommerziell erhältliches Gerät, mit Röntgenlicht einer radioaktiven Quelle. Wir haben 15 Tage lang bei kontrollierten Temperaturen von 21°C und 26°C Daten gesammelt. Diese Tests haben uns genug Daten gegeben, um ein Spektrum für jeden seiner 2,1 Millionen Pixel zu erstellen, wobei wir uns ausschliesslich auf Einzelpixelereignisse konzentriert haben.

Wir haben die Gewinnvariation über den Sensor mit zwei Methoden evaluiert: Peak-Fitting und Energieskalierung durch Korrelation (ECC). Unsere Ergebnisse zeigten eine Gewinnvariation von 0,4 % bei beiden Temperaturen. Die ECC-Methode hat sich als effektiver erwiesen, besonders bei geringen Datenmengen.

Durch die Anpassung an Gewinnunterschiede konnten wir die Energieauflösung des Sensors bei 5,9 keV um 10 eV verbessern, was dem Fano-Limit nahekommt, einem Massstab für die bestmögliche Leistung von Siliziumdetektoren bei Raumtemperatur.

Zudem zeigte der Sensor während der langen Datensammlung bemerkenswerte Stabilität und betrieb konstant über 30 Tage.

#Die Entwicklung von Röntgendetektoren

Über viele Jahre hinweg haben Röntgenmissionen stark auf CCD-Technologie gesetzt, die aufgrund ihres niedrigen Rauschens und der hohen Bildqualität der Standard war. Die neue Generation von Röntgenmissionen verlangt jedoch Verbesserungen bei der Auslesegeschwindigkeit und der Energieeffizienz, wo CMOS-Sensoren glänzen.

CMOS-Technologie ermöglicht eine schnelle Auslesung von Bildern, während sie weniger Energie verbraucht. Rückseitenbeleuchtete Designs verbessern zudem die Fähigkeit, Röntgenstrahlen effektiv zu erkennen. Die Vorteile von CMOS-Sensoren gegenüber CCDs umfassen eine höhere Bildfrequenz, weniger Rauschen und die Fähigkeit, bei Raumtemperatur zu arbeiten.

Jüngste Missionen wie die Einstein-Probe und der Lobster-Eye-Imager für Astronomie haben die Fähigkeiten von CMOS-Sensoren im Weltraum demonstriert und vielversprechende Ergebnisse bei der Röntgendetektion gezeigt.

#Herausforderungen für CMOS-Sensoren

Trotz ihres Potenzials gibt es mehrere Herausforderungen, die die breite Akzeptanz von CMOS-Sensoren für die Röntgendetektion behindern. Ein grosses Problem ist die relativ geringe Effizienz bei der Erkennung von Röntgenstrahlen, die aus ihren flachen Depletions-Tiefen resultiert. Das bedeutet, dass sie in einigen Anwendungen nicht so effektiv sind wie CCDs.

Eine weitere Einschränkung betrifft die Gewinnvariation von Pixel zu Pixel, die zu Inkonsistenzen in der energetischen Auflösung des Spektrums führen kann. Verbesserte Methoden sind erforderlich, um diese Diskrepanzen anzugehen und eine bessere Leistung bei tatsächlichen Röntgenanwendungen zu erzielen.

#Das Versprechen des Sony IMX290 Sensors

Der Sony IMX290-Sensor, der für optisches Licht entwickelt wurde, war aufgrund seiner geringen Rauschcharakteristika und der rückseitig beleuchteten Struktur ein geeigneter Kandidat für unsere Untersuchungen. Frühere Studien hatten sein Potenzial zur Röntgendetektion aufgezeigt, was unsere Tests motivierte, um seine Leistung zu messen.

In unserer Arbeit wollten wir eine effektive Kalibrierungsmethode implementieren, um den Gewinn jedes Pixels zu berücksichtigen, während wir Röntgenphotonen beobachteten. Das beinhaltete die Erstellung eines Spektrums für jedes Pixel basierend auf Einzelpixelereignissen und dabei externe Einflüsse zu minimieren.

#Einrichtung zur Datensammlung

Wir haben die IDS Imaging UI-3862LE-M-Kamera mit dem Sony IMX290 CMOS-Sensor für unsere Experimente verwendet. Die Kameraeinrichtung ermöglichte den Betrieb über USB3.1 und lieferte schnelle Auslesegeschwindigkeiten von bis zu 120 fps. Um eine genaue Erkennung von Röntgenphotonen zu gewährleisten, haben wir das Deckglas vom Sensor entfernt. Die Kamera wurde unter Vakuumbedingungen innerhalb eines Kryostaten betrieben, was uns erlaubte, die Temperatur präzise zu regulieren.

Während der Kalibrierungsphase haben wir den Sensor mit einer radioaktiven Quelle beleuchtet, um Röntgenemissionslinien für unsere Analyse zu erzeugen. Wir wollten einen Umwandlungsgewinn von 1 e-/ADU erreichen, während wir die elektronischen Rauschpegel niedrig hielten.

#Echtzeit-Datenverarbeitung

Um die riesige Menge an Daten, die während der Experimente generiert wurde, effektiv zu verwalten, haben wir einen Algorithmus für die Echtzeitverarbeitung entwickelt. Dadurch konnten wir nur die gültigen Röntgenereignisse extrahieren und speichern, was den Speicherbedarf erheblich verringerte.

Der Prozess begann mit der Aufnahme von Anfangsbildern, um eine Offsetkarte zu erstellen, die dabei half, irrelevante Daten herauszufiltern und gültige Röntgenereignisse während der nachfolgenden Bildübertragungen zu isolieren. Diese Methode erleichterte die effiziente Datenverwaltung und ermöglichte es uns, tausende gültige Ereignisse pro Sekunde zu extrahieren.

#Energieskalierungs-Methoden

Um genaue Energie-Messungen zu gewährleisten, mussten wir effektive Kalibrierungsmethoden für den CMOS-Sensor implementieren. Die Gewinnvariation ist ein inhärentes Problem in der CMOS-Architektur, bei der jeder Pixel seinen eigenen Verstärkungs-Schaltkreis hat. Um dieses Problem anzugehen, haben wir sowohl die Peak-Fitting- als auch die ECC-Methoden während der Kalibrierung verwendet.

Die Peak-Fitting-Technik besteht darin, jede Linie im beobachteten Spektrum anzupassen, um ihre Energietrennung zu bestimmen. Im Gegensatz dazu hilft die ECC-Methode, Korrelationen zwischen den beobachteten und bekannten Spektren zu finden, was eine robustere Kalibrierung über den gesamten Energiebereich ermöglicht.

Beide Methoden erwiesen sich als nützlich, um die Gesamtkalibrierungsgenauigkeit zu verbessern, besonders in Szenarien mit geringen Statistiken, wo ECC überlegene Leistungen zeigte.

#Datensammlung für die Energieskalierung

Der Kalibrierungsprozess erforderte 2,1 Millionen Pixelmessungen, um genaue Gewinnwerte zu erzielen. Um genügend Daten zu sammeln, haben wir den Sensor mit einer starken radioaktiven Quelle beleuchtet, die eine hohe Ereignisrate erzeugte, um sicherzustellen, dass wir ausreichend Einzelpixelereignisse pro Pixel sammelten.

Wir konzentrierten uns darauf, stabile Bedingungen während der Erfassungsphase aufrechtzuerhalten, um Rauschen durch externe Faktoren wie Temperaturänderungen zu begrenzen.

#Datenanalyse

Die über 14 Tage gesammelten Daten beliefen sich auf 1 TB, was erhebliche Herausforderungen bei der Nachbearbeitung darstellte. Wir nutzten die MIT SuperCloud für die rechnerische Unterstützung, was die Verarbeitungszeit auf etwa einen Tag auf einem Supercomputing-Cluster minimierte.

Durch die Umverteilung der Daten zu ihren jeweiligen Pixeln konnten wir eine umfassende Zählkarte erstellen, die die Variationen in der Pixelperformance über den Sensor hinweg hervorhob.

#Einblicke aus der Zählkarte

Die Zählkarte offenbarte eine ungleiche Verteilung der Zählungen, wobei einige Bereiche des Sensors deutlich mehr Ereignisse erhielten als andere. Diese Inkonsistenz kann auf die Positionierung der radioaktiven Quelle relativ zum Sensor zurückgeführt werden.

Bemerkenswerterweise beobachteten wir quadratische Muster in der Zählkarte, die höhere Raten in bestimmten Pixeln und niedrigere Raten in ihren Nachbarn anzeigten. Dieses Phänomen war mit Variationen in den Rauschpegeln verbunden und deutet darauf hin, dass ein verfeinerter Ansatz zur Ereignisextraktion die Datenqualität verbessern könnte.

#Spektren von den Sensor-Pixeln

Für jeden Pixel haben wir individuelle Spektren erstellt, die ausschliesslich aus Einzelpixelereignissen bestanden. Dies erlaubte uns, die von der radioaktiven Quelle produzierten Energielinien effektiv zu analysieren. Deutlich definierte Peaks bei 5,90 keV und 6,49 keV waren evident und zeigten die Fähigkeit des Sensors, Röntgenereignisse zu erkennen.

Unsere Analyse deutete darauf hin, dass die spektrale Auflösung, die mit diesem CMOS-Sensor erreichbar ist, sehr nahe am theoretischen Limit, das durch den Fano-Faktor gesetzt ist, liegt und somit seine hohe Leistungsfähigkeit bestätigt.

#Bewertung der Gewinnvariation

Mit beiden Kalibrierungsmethoden haben wir den Gewinn für jeden Pixel gemessen und eine mittlere Gewinnverteilung von 294 ADU/keV identifiziert, mit einer Variation von 0,4 %. Interessanterweise haben wir einen konsistenten Unterschied zwischen ungeraden und geraden Spalten festgestellt, was auf potenzielle Designbeeinflüsse in der Sensorarchitektur hindeutet.

Nach der Korrektur der Gewinnvariabilität hatten wir deutliche Verbesserungen in der spektralen Leistung, was bestätigte, dass unsere Kalibrierungstechniken und Algorithmen die Ausgabe des Sensors effektiv verbessert haben.

#Berücksichtigung der Temperatureinflüsse

Nach einer Unterbrechung der Datensammlung haben wir Messungen bei einer höheren Temperatur von 26°C wiederholt. Die Ergebnisse zeigten eine leichte Verschiebung des mittleren Gewinns, während die Gewinnvariationen konstant blieben. Das deutete darauf hin, dass Temperaturänderungen zwar die Gewinne etwas beeinflussen können, die Gesamtvariation jedoch stabil blieb.

#Stabilität des CMOS-Sensors

Unsere umfangreiche Datensammlung ermöglichte es uns, die Stabilität des Sony IMX290-Sensors über die Zeit zu bewerten. Wir stellten fest, dass die Zählraten für Röntgenereignisse progressiv abnahmen, was mit der erwarteten radioaktiven Zerfallsrate der verwendeten Quelle übereinstimmte.

Der Sensor hielt über den Erfassungszeitraum eine stabile Anzahl heisser Pixel und wir bemerkten konsistente Rauschpegel und Offsets während der Tests. Diese Stabilität unterstreicht die Fähigkeit dieses Sensors, über längere Zeiträume effektiv zu arbeiten.

#Fazit

Zusammenfassend hat unsere Untersuchung des Sony IMX290 CMOS-Sensors sein Potenzial zur Röntgendetektion beleuchtet. Im Laufe unserer Experimente haben wir erfolgreich Techniken implementiert, um Gewinnvariationen auf Pixelebene zu kalibrieren. Die verwendeten Kalibrierungsmethoden zeigten Verbesserungen in der spektralen Leistung und nähern sich grundlegenden Grenzen für Siliziumdetektoren.

Die Sensoren zeigten bemerkenswerte Stabilität und bestätigten ihre Eignung für Anwendungen in der Röntgenastronomie. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, ihre Wirksamkeit weiter zu validieren und ihre Möglichkeiten in verschiedenen Röntgenanwendungen zu erkunden.

Insgesamt unterstützen die Ergebnisse die fortgesetzte Entwicklung von CMOS-Sensoren als praktikale Alternative zu CCDs für eine Reihe von wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen.