Medipix系列是Medipix Collaborations開發(fā)的、用于粒子成像和探測的像素化探測器讀出芯片系列。

Medipix1 芯片使用與 Omega3 粒子追跡芯片相同的前端電路，旨在允許在相當(dāng)大的像素矩陣上進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)，其展示了該技術(shù)在高能物理以外領(lǐng)域的巨大潛力。為了進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)并將其帶入新的科學(xué)領(lǐng)域，Medipix2/3/4 Collaborations由此誕生，目前Medepix4正在開發(fā)中，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)芯片可四邊拼接及更高計(jì)數(shù)率。

Timepix系列是從 Medipix系列開發(fā)演變而來的，用于探測單個(gè)粒子的探測以獲得時(shí)間、空間、能量信息，歷經(jīng)Timepix2，Timepix3，目前Timepix4正在開發(fā)中，其目標(biāo)是獲得更好的空間和時(shí)間分辨能力。

這里我們著重介紹一下已量產(chǎn)，并在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩的Timepix3芯片。

Timepix3 是一種通用集成電路，適用于讀出半導(dǎo)體探測器和充氣探測器，可以同時(shí)獲得入射粒子或輻射的到達(dá)時(shí)間、空間及能量信息。與Timepix1 相比，Timepix3具有更多功能、更好的時(shí)間分辨率和更先進(jìn)的架構(gòu)，可用于零抑制的連續(xù)稀疏數(shù)據(jù)讀出。Timepix3 可用于從 X 射線成像到粒子軌跡重建等多個(gè)領(lǐng)域。

與Medipix類似，每個(gè)像素包含模擬和數(shù)字電路，原理框圖如下：

模擬部分

• 電荷靈敏放大器(Charge Sensitive Amplifier, CSA), 反饋電容3fF，增益~50mV/ke-。CSA采用Krummenacher體系結(jié)構(gòu)，可補(bǔ)償探測器泄漏電流。可以處理正電荷和負(fù)電荷（由Polarity Bit極性比特設(shè)置）。
  

• 一個(gè)比較器，比較基準(zhǔn)為全局閾值Global Threshold

• 每個(gè)像素的局部閾值調(diào)節(jié)DAC 4bit

數(shù)字部分

• 計(jì)數(shù)器Counter

• 同步和控制邏輯電路(Synchronizer & Clock gating)

• 超像素共用電路 - 高精度時(shí)鐘(VCO)、像素讀出等

• 配置寄存器(Pixel Configuration Register, PCR)，6bit(Test bit、Local Threshold 4bit、Mask bit)

  
  

處理流程

• 像素收集的電荷經(jīng)CSA放大，得到幅度與電荷量成正比，即與粒子在像素內(nèi)沉積的能量成正比的電壓信號(hào)，送入比較器；

• 比較器的比較基準(zhǔn)是全局閾值。當(dāng)信號(hào)幅度超過全局閾值時(shí)，比較器輸出方波，其上升沿是CSA輸出電壓超過閾值的時(shí)刻，下降沿是CSA輸出在下降過程中低于閾值的時(shí)刻，也就是說比較器輸出高電平的持續(xù)時(shí)間是信號(hào)過閾時(shí)間ToT（Time over Threshold）。

• 比較器輸出方波上升沿出現(xiàn)的時(shí)刻即TOA（Time of Arrival）時(shí)間，也是事件計(jì)數(shù)的時(shí)間基準(zhǔn)。

ToA和ToT數(shù)據(jù)的獲得

Timepix 3有兩個(gè)時(shí)鐘：

1. 全局40MHz低精度時(shí)鐘（周期25ns），對(duì)應(yīng)14bit ToA計(jì)數(shù)器。這個(gè)時(shí)鐘一直工作；

2. 局部640MHz高精度時(shí)鐘（周期1.5625ns），對(duì)應(yīng)4bit ToA計(jì)數(shù)器。這個(gè)時(shí)鐘間歇工作，啟、停時(shí)刻如下圖所示：

• TOA就包括兩個(gè)部分：高精度時(shí)間戳和低精度時(shí)間戳。

• TOT是比較器輸出方波高電平持續(xù)期間內(nèi)40MHz時(shí)鐘的脈沖數(shù)。

Timepix 3與Medipix 3相同，像素矩陣也是256 x 256方陣。為了簡化高精度時(shí)間戳的實(shí)現(xiàn)和像素坐標(biāo)的獲取，256列像素被分為128個(gè)雙列，每個(gè)雙列又分成64個(gè)超像素（SuperPixel，由4×2=8個(gè)55μm×55μm 像素構(gòu)成）。超像素示意圖和像素地址編碼如下：

其中EoC_address為雙列地址，128個(gè)雙列地址編碼需7 bit、SP_address為超像素地址，64個(gè)超像素地址編碼需bit）、Pixel_address為像素在超像素中的位置，8個(gè)像素地址編碼需3bit，共需要16bit。

Timepix 3有3種獲取模式（Acquisition Mode），每種模式又可以分為是否使用高精度時(shí)間戳。每種模式的數(shù)據(jù)包格式不同，即28bit計(jì)數(shù)器的內(nèi)容和布局不同，如下表：

注：FTOA = Fast TOA精度可達(dá)1.56ns，Dummy = 未用到，HitCounter 擊中次數(shù)計(jì)數(shù)器

兩種讀出模式：

• 基于幀讀出模式（Frame-based Zero-Suppressed mode），即曝光、讀出、曝光、讀出、……，類似于全幀式CCD相機(jī)的工作模式。

• 數(shù)據(jù)（事件）驅(qū)動(dòng)模式（Data-driven zero-Suppressed mode）：像素被命中后，數(shù)據(jù)隨機(jī)被讀出。

• 兩種模式都是只讀出有數(shù)據(jù)的像素（zero-Suppressed）

• 這兩種模式使用相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路讀出數(shù)據(jù)，只是數(shù)據(jù)讀出的時(shí)刻不同。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式在事件被記錄完成后讀出48bit的數(shù)據(jù)包，而基于幀讀出模式在測量結(jié)束后讀出數(shù)據(jù)。如下圖所示：

從上圖可以看出，Timepix 3測量的開始和結(jié)束是通過“快門”（Shutter）控制的。

兩種讀出模式，數(shù)據(jù)包都含有16bit像素地址和28bit數(shù)據(jù)。多芯片拼接時(shí)，通過Chip ID來區(qū)分是哪個(gè)芯片的數(shù)據(jù)。

Advacam S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機(jī)和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探制器（應(yīng)用CERN Timepix、Medipix芯片），沒有拼接縫隙（No Gap），因此在無損檢測、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、空間探測、藝術(shù)品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam與NASA（美國航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長期良好的項(xiàng)目合作關(guān)系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應(yīng)用提供定制化粒子探測系統(tǒng)。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克Advacam公司中國區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術(shù)，并探索和推廣光子計(jì)數(shù)X射線探測技術(shù)在中國市場的應(yīng)用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應(yīng)用于空間輻射探測、X射線小角散射、X射線光譜學(xué)、X射線應(yīng)力分析和X射線能譜成像等領(lǐng)域。同時(shí)我們也有數(shù)臺(tái)MiniPIX樣機(jī)，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的樣機(jī)，我們也非常期待對(duì)我們探測器感興趣或基于探測器應(yīng)用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。