Timepix3芯片原理及应用介绍(原理篇)

Medipix系列是Medipix Collaborations开发的、用于粒子成像和探测的像素化探测器读出芯片系列。

Medipix1 芯片使用与 Omega3 粒子追迹芯片相同的前端电路，旨在允许在相当大的像素矩阵上进行单光子计数，其展示了该技术在高能物理以外领域的巨大潜力。为了进一步开发这项新技术并将其带入新的科学领域，Medipix2/3/4 Collaborations由此诞生，目前Medepix4正在开发中，主要目标是实现芯片可四边拼接及更高计数率。

Timepix系列是从 Medipix系列开发演变而来的，用于探测单个粒子的探测以获得时间、空间、能量信息，历经Timepix2，Timepix3，目前Timepix4正在开发中，其目标是获得更好的空间和时间分辨能力。

这里我们着重介绍一下已量产，并在多个应用领域大放异彩的Timepix3芯片。

Timepix3 是一种通用集成电路，适用于读出半导体探测器和充气探测器，可以同时获得入射粒子或辐射的到达时间、空间及能量信息。与Timepix1 相比，Timepix3具有更多功能、更好的时间分辨率和更先进的架构，可用于零抑制的连续稀疏数据读出。Timepix3 可用于从 X 射线成像到粒子轨迹重建等多个领域。

与Medipix类似，每个像素包含模拟和数字电路，原理框图如下：

模拟部分

• 电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifier, CSA), 反馈电容3fF，增益~50mV/ke-。CSA采用Krummenacher体系结构，可补偿探测器泄漏电流。可以处理正电荷和负电荷（由Polarity Bit极性比特设置）。
  

• 一个比较器，比较基准为全局阈值Global Threshold

• 每个像素的局部阈值调节DAC 4bit

数字部分

• 计数器Counter

• 同步和控制逻辑电路(Synchronizer & Clock gating)

• 超像素共用电路 - 高精度时钟(VCO)、像素读出等

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

  
  

处理流程

• 像素收集的电荷经CSA放大，得到幅度与电荷量成正比，即与粒子在像素内沉积的能量成正比的电压信号，送入比较器；

• 比较器的比较基准是全局阈值。当信号幅度超过全局阈值时，比较器输出方波，其上升沿是CSA输出电压超过阈值的时刻，下降沿是CSA输出在下降过程中低于阈值的时刻，也就是说比较器输出高电平的持续时间是信号过阈时间ToT（Time over Threshold）。

• 比较器输出方波上升沿出现的时刻即TOA（Time of Arrival）时间，也是事件计数的时间基准。

ToA和ToT数据的获得

Timepix 3有两个时钟：

1. 全局40MHz低精度时钟（周期25ns），对应14bit ToA计数器。这个时钟一直工作；

2. 局部640MHz高精度时钟（周期1.5625ns），对应4bit ToA计数器。这个时钟间歇工作，启、停时刻如下图所示：

• TOA就包括两个部分：高精度时间戳和低精度时间戳。

• TOT是比较器输出方波高电平持续期间内40MHz时钟的脉冲数。

Timepix 3与Medipix 3相同，像素矩阵也是256 x 256方阵。为了简化高精度时间戳的实现和像素坐标的获取，256列像素被分为128个双列，每个双列又分成64个超像素（SuperPixel，由4×2=8个55μm×55μm 像素构成）。超像素示意图和像素地址编码如下：

其中EoC_address为双列地址，128个双列地址编码需7 bit、SP_address为超像素地址，64个超像素地址编码需bit）、Pixel_address为像素在超像素中的位置，8个像素地址编码需3bit，共需要16bit。

Timepix 3有3种获取模式（Acquisition Mode），每种模式又可以分为是否使用高精度时间戳。每种模式的数据包格式不同，即28bit计数器的内容和布局不同，如下表：

注：FTOA = Fast TOA精度可达1.56ns，Dummy = 未用到，HitCounter 击中次数计数器

两种读出模式：

• 基于帧读出模式（Frame-based Zero-Suppressed mode），即曝光、读出、曝光、读出、……，类似于全帧式CCD相机的工作模式。

• 数据（事件）驱动模式（Data-driven zero-Suppressed mode）：像素被命中后，数据随机被读出。

• 两种模式都是只读出有数据的像素（zero-Suppressed）

• 这两种模式使用相同的内部数据通路读出数据，只是数据读出的时刻不同。数据驱动模式在事件被记录完成后读出48bit的数据包，而基于帧读出模式在测量结束后读出数据。如下图所示：

从上图可以看出，Timepix 3测量的开始和结束是通过“快门”（Shutter）控制的。

两种读出模式，数据包都含有16bit像素地址和28bit数据。多芯片拼接时，通过Chip ID来区分是哪个芯片的数据。

Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。Advacam最核心的技术特点是其X射线探制器（应用CERN Timepix、Medipix芯片），没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam与NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持长期良好的项目合作关系。2021年，spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。

北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司中国区的总代理，也在积极推广Timex / Medipix芯片技术，并探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。