Medipix3 ja Medipix4

Kolmas Medipix yhteistyöprojekti alkoi vuonna 2005 [36]. Tuloksena olivat Medipix3-siru, [60], ja Timepix3-siru [61]. Medipix3-siru on Medipix2-sirun seuraava sukupol-vi, jossa on kaksi energiakynnystä per pikseli ja sillä voidaan laskea fotoneja [60].

Molemmille kynnyksille on omat laskurinsa. Jos signaali ylittää molemmat kyn-nykset, kumpaankin laskuriin lisätään arvo. Tässä signaalin ei siis tarvitse osua kynnysten väliin, kuten Medipix2-sirussa. Lopullisen version tarkempi nimi on Me-dipix3RX. Pikselien lukumäärä on sama 256 ×256 kappaletta ja niiden koko on 55 µm×55 µm. Esivahvistimen jälkeen yksittäisellä pikselillä on muotoilupiiri, joka toimii muun muassa kohinan suodattimena ja toisena vahvistimena. Muotoilupii-ri myös AC-kytkee esivahvistimen muotoilupiiMuotoilupii-rin jälkeen tuleviin komponentteihin, jolloin loppuosa piiristä ei ole niin herkkä esivahvistimella tapahtuville muutoksille [34].

Medipix3-sirua voidaan käyttää useilla eri tavoilla. Eräs hyvin merkittävä

omi-naisuus on mahdollisuus korjata varauksen jakaantumisen aiheuttamia ongelmia.

Varauksen jakaantuminen usealle pikselille seuraa varauspilven leviämisestä ja sen-sorissa tapahtuvasta röntgenfluoresenssista. Näitä ilmiöitä käsiteltiin osioissa 4.2.3 ja 4.2.4. Medipix2-sirun pikselikoko on niin pieni verrattuna sensorin paksuuteen, joka on pienimmillään useita satoja mikrometrejä, että varauksen jakaantuminen aiheuttaa merkittäviä ongelmia energian määrittämiseen [42]. Piitä raskaammis-sa sensorimateriaaleisraskaammis-sa myös fluoresenssifotonit voivat siirtää oraskaammis-san alkuperäisestä energiasta väärälle pikselille [42]. Medipix3-sirussa pikselit eivät toimi täysin itse-näisesti vaan vierekkäiset pikselit keskustelevat keskenään ja muodostavat 2× 2 pikselin kokoisia ryhmiä, joissa korjataan varauksen jakaantumisen aiheuttamia on-gelmia [60]. Tällöin, jos varauspilvi indusoi signaaleja usealle pikselille, vierekkäisten pikselien signaalien suuruuksia verrataan toisiinsa. Pikselien välistä kommunikointia hyödynnetään edelleen summaamalla neljän vierekkäisen pikselin varaukset yhteen.

Pikseleillä havaitut signaalit summataan ja siirretään sille pikselille, jossa on ha-vaittu suurin varaus. Näin haha-vaittu energia saadaan korjattua oikeaksi. Oletus on siis, että se pikseli, jossa havaitaan suurin varaus, on se pikseli, jonka alueelle fotoni osui. Energian arvon korjaamisen lisäksi tällainen pikselien välinen kommunikointi eliminoi mahdollisuuden, jossa yksi fotoni laskettaisiin useaan kertaan. Tämä voisi tapahtua, jos varauspilvi indusoisi kynnyksen ylittäviä signaaleja usealle pikselille.

Medipix3-sirua voidaan käyttää myös siten, että jokainen pikseli toimii itsenäisesti, jolloin toiminta vastaa Medipix2-sirua.

Medipix3-sirua voidaan edelleen käyttää myös siten, että neljä ASIC-sirun pik-seliä toimii yhdessä ja vain yksi pikseli neljästä on kytketty puolijohdesensoriin [60].

Tällöin yksi sensorin pikseli on kooltaan 110 µm×110 µm. Tämän hyötynä on, että yksittäiselle pikselille saadaan käyttöön useampia energiakynnyksiä. Huonona puo-lena ajatellen paikkaresoluutiota on pikselien pinta-alan nelinkertaistuminen. Jos ilmaisinta ei käytetä varauksen summaus-tilassa, käytössä on kahdeksan kynnystä.

Jokaiselta pikseliltä saadaan siis kaksi kynnystä. Jos Medipix3-siru on ohjelmoitu toimimaan varauksen summaus-tilassa, käytössä on vain neljä energiakynnystä.

Medipix3-sirussa yksittäisellä pikselillä on siis käytössä kaksi 12 bitin laskuria, jotka lisäävät edelleen erilaisia mahdollisuuksia, jossa Medipix3-sirua voidaan käyt-tää [60]. Tällä on vaikutusta erityisesti signaalin luentaan. Aikaisemmissa ASIC-siruissa pikseleitä joudutaan lukemaan siten, että laskuriin lisätään arvoja, jonka jälkeen se luetaan, minkä jälkeen sitä voidaan taas käyttää fotonien laskentaa [36].

Tällöin signaalin lukuvaiheessa laskuri ei siis voi vastaanottaa uusia signaaleja, jot-ka saapuvat kynnystyspiiriltä. Medipix3-sirussa voidaan käyttää yhtä laskuria ker-rallaan fotonien laskentaan ja samalla aikaa luetaan toista laskuria [60]. Tällöin ei periaatteessa ole sellaista vaihetta, missä signaaleja ei voida ottaa vastaan ja siir-tää eteenpäin. Toisaalta käytössä on tällöin vain yksi kynnys per ASIC-sirun pikseli.

Medipix3-sirua voidaan käyttää myös tilassa, jossa molemmat laskurit ovat käytössä fotonien laskennassa, jolloin maksimisyvyys kasvaa 24 bittiin mutta luenta täytyy tehdä peräkkäisellä laskennalla ja luennalla.

Edellisiin viitaten voidaan siis sanoa, että Medipix3-sirun toimintaa voi muokata hyvin paljon ja vaadittavat ominaisuudet täytyy valita sen mukaan, missä sovelluk-sissa ilmaisinta tullaan käyttämään.

Timepix3 on Timepix1-sirun seuraava sukupolvi, jonka rakenne ja toiminta on esitelty kattavasti kirjallisuudessa [62]. Kuten edeltäjässään, myös Timepix3-sirussa on 256×256 pikseliä, joiden koko on 55 µm× 55 µm. Jokaisella pikselillä on yk-si energiakynnys, jossa on 4 bitin hienosäätövara. Timepix3-yk-sirussa voidaan myös tehdä ToA ja ToT-mittaukset yhtä aikaa, mitä Timepix1-sirulla ei voi tehdä vaan mittaajan täytyy valita toinen mittaustavoista. Timepix3-sirussa kellon maksimitaa-juus on 640 MHz, jota vastaava aika-askel on noin 1,56 ns eli ajanmääritys voidaan tehdä tarkemmin. Fotonin laskennassa käytetään 10 bitin laskuria.

Timepix3 eroaa aikaisemmista Medipix-projekteissa kehitetyistä ASIC-siruista myös siinä, miten informaatiota lähetetään sirulta eteenpäin. Kaikissa aikaisemmis-sa siruisaikaisemmis-sa pikselit luetaan niin aikaisemmis-sanotun ”frame-based” -arkkitehtuurin avulla [36].

Tällöin pikseleiltä saatavia mittausarvoja käsitellään matriisina, joka luetaan kerral-la. Tässä toteutuksessa pikselimatriisin luennan aikana ei voida ottaa vastaan uusia signaaleja. Timepix3-sirussa informaation siirto tapahtuu täysin erilaisella tavalla, jota kutsutaan nimellä ”data-driven” -arkkitehtuuri [36]. Tässä arkkitehtuurissa ai-na, kun tietyllä pikselillä havaitaan signaali, se lähetetään heti eteenpäin kyseiseltä pikseliltä. Tällöin ei siis lueta koko pikselimatriisia kerrallaan vaan pikseleitä lue-taan itsenäisesti heti, kun pikselillä havailue-taan signaali. Tällaisessa rakenteessa ei ole informaation luennasta johtuvaa aikaa, missä ei voida ottaa vastaan uusia signaaleja.

Medipix1/2/3-sirut ovat siis yksittäisten fotonien laskentaan tarkoitettuja ASIC-siruja, joilla pystytään tekemään kuvauksia käyttäen yhtä tai useampaa energia-kynnystä. Timepix1/3-siruilla pyritään saamaan enemmän informaatiota ilmaisi-melle saapuvasta hiukkasesta. Medipix4-yhteistyöprojekti alkoi vuonna 2016 ja

tä-män työn kirjoituksen aikaan kehitystyö on edelleen meneillään [1]. Tavoitteena on kehittää Medipix4-siru, jossa olisi parempi energiaresoluutio ja kyky käsitellä suuria fotonivuon arvoja [36]. Medipix-siruihin perustuvien ilmaisimien energiare-soluutioon ja nopeuteen palataan luvun lopussa, kun tehdään yhteenveto energia-sensitiivisistä fotoninlaskentailmaisimista. Timepix4-sirun kehityksen tavoitteena on parantaa ajanmäärityksen tarkkuutta ja mahdollisesti pienentää pikselikokoa [36].

Tavoitteena on myös kehittää ASIC-sirut, joiden reuna-alueet ovat kaikkien pikseli-matriisin sivujen osalta mahdollisimman kapeita [1], [63]. Tämä helpottaisi sirujen yhdistämistä ja pinta-alaltaan suurempien ilmaisimien rakentamista. Tällaisen ra-kenteen mahdollistaa ”Through Silicon Via (TSV)” teknologia [63]. Medipix2- ja Medipix3-projekteissa kehitetyissä siruissa yksi pikselimatriisin reuna sisältää aina elektroniikkaa, jota vaaditaan muun muassa pikselien mittausinformaation siirtämi-seen eteenpäin ASIC-sirulta. TSV-teknologia mahdollistaa sen, että tällaiset piirit ja kytkennät pystytään siirtämään jokaisen yksittäisen pikselin takapuolelle, jolloin kaikki informaatio kulkee ASIC-sirun pikselin etuosasta pikselin takapuolen kautta eteenpäin. Tällöin kaikkien neljän reuna-alueen leveys voidaan minimoida.