Timepix3 是一款由 Medipix3 Collaboration 開發(fā)的，用于粒子探測的像素化探測器讀出芯片。Timepix3 讀出芯片采用 130nm CMOS工藝設(shè)計，分割成為 256×256 像素，像素間距為 55μm。不同的傳感器材料（如 Si, CdTe 或 CZT）通過 bump-bonded 技術(shù)與讀出芯片相連。與它的前身 Timepix 相比，Timepix3 允許使用 data-driven 的讀出模式，并且能在每個單獨的像素中同時測量時間分辨率為 1.56 ns 的相互作用時間和能量沉積，Timepix3 芯片原理及應(yīng)用介紹(原理篇)。由于 Timepix3 可以同時獲得入射粒子的時間、空間及能量信息，因此 Timepix3 在粒子軌跡測量領(lǐng)域被廣泛使用。本文將簡單介紹使用基于 Timepix3 芯片的粒子軌跡重建原理，并且討論 Muon、Pion、電子的 3D 軌跡重建。

Timepix3 的粒子軌跡重建類似于 TPC(Time Projection Chamber)，入射粒子的橫向2D 位置可以直接從 Timepix3 芯片獲得(命中像素位置)，但垂直位置(相互作用深度)必須利用載流子向像素電極漂移的時間進(jìn)行重建。在半導(dǎo)體傳感器中，內(nèi)部電場均勻，電荷收集過程中的漂移速度是恒定的，因此電荷漂移時間與相互作用的深度成正比。二者的關(guān)系通?？梢酝ㄟ^經(jīng)驗公式計算得出，也可通過測量宇宙線 Muon 得出。如下圖，高能宇宙線 Muon 幾乎是沿直線斜穿過傳感器的整個厚度，在多個像素上產(chǎn)生能量沉積。通過測量粒子軌道兩端像素之間的時間差，可以確定載荷子在整個傳感器厚度的漂移時間。累積多個 Muon 事件后，可以擬合得到漂移時間與相互作用深度的關(guān)系。

實際上，在粒子軌跡重建過程中還需要考慮時間修正的問題，下圖展示了Timepix3測試數(shù)據(jù)的時間戳和時間間隔。t_interaction 是入射粒子與傳感器產(chǎn)生相互作用的時間戳，t_drift 是載荷子的漂移時間，t_meas 是 hit 被指定的時間戳。由于電荷感應(yīng)，在載流子到達(dá)收集像素電極之前，電荷敏感放大器中的脈沖成形就已經(jīng)開始了，因此引入了 t_interaction。從脈沖成形開始到命中被指定的持續(xù)時間用偏移時間 t_offset 來近似，因為軌跡重建是基于測量形成軌跡的像素集合內(nèi)的時間差，所以該偏移時間可以被抵消，不影響軌跡重建。此外，前置放大器輸出脈沖上升時間恒定，而不同振幅信號的脈沖上升沿斜率不同，會引入一個延遲時間 t_{time_walk}，如下圖。t_{time_walk} 和 t_interaction 的大小系統(tǒng)性的受沉積能量影響。當(dāng)像素能量低于 30keV 時， t_{time_walk} 修正是必要的；當(dāng)能量高于 30keV 時，t_interaction 修正是必要的。

捷克理工大學(xué)的 Benedikt Bergmann 和他的研究團隊利用 2mm 的 CdTe 傳感器搭配 Timpix3 芯片的混合像素探測器，對 Pion，Muon 和電子軌跡進(jìn)行重建，同時由 Pion 產(chǎn)生的次級 δ 電子軌跡也被清晰地記錄下來。高能 Pion 和 Muon 幾乎無偏轉(zhuǎn)地穿過傳感器，其阻止本領(lǐng)(dE/dX)由沉積能量，軌跡長度，傳感器密度(CdTe=5.85g/cm3)共同決定，如下圖。

電子的軌跡特點是沿彎曲的路徑通過傳感器，如下圖所示。第一張圖是電子從外部進(jìn)入并且穿過整個傳感器；第二張圖中的電子在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的，是康普頓散射產(chǎn)生的康普頓電子；第三張圖則是電子對效應(yīng)產(chǎn)生的一對正負(fù)電子的軌跡。此外，由于 Timepix3 能夠?qū)崿F(xiàn)電子軌跡重建，近年來捷克Advacam 公司的 MiniPIX TPX3 探測器已經(jīng)被驗證可以用于單層的康普頓相機。其關(guān)鍵在于 Timepix3 能夠精確測量康普頓電子的軌跡，找到相互作用點，并且利用電子軌跡算法還可以顯著提升康普頓相機的角分辨率。

Advacam S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實驗及應(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、輻射成像相機和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術(shù)特點是其X射線探制器（基于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。同時我們也有數(shù)臺搭載Timpix、Timepix3芯片的MiniPIX探測器樣機、Medipix3 芯片的WidePIX 1*5 CdTe探測器樣機，我們也非常期待對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。

參考文獻(xiàn)：

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3. Turecek, D., et al. "Single layer Compton camera based on Timepix3 technology." Journal of Instrumentation 15.01 (2020): C01014.

4. Wen, Jiaxing, et al. "Optimization of Timepix3-based conventional Compton camera using electron track algorithm." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 1021 (2022): 165954.

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