Symulacje komputerowe efektu podziału ładunku w detektorach półprzewodnikowych z wykorzystaniem układu FPGA

• Autorzy: Maj P. , Drozd A.

Warianty tytułu

EN

Computer simulations of charge sharing effect in semiconductor detectors using FPGA

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł prezentuje wykorzystanie metody Monte Carlo do analizy efektu podziału ładunku w detektorach półprzewodnikowych. Są one niezbędne do podnoszenia jakości obrazowania medycznego, gdyż ze względu na pojawiające się na krawędziach pikseli rozmycie obniża dokładność pomiaru zarówno pozycji jak i energii. Wykonanie symulacji jest niezwykle istotne w pierwszym etapie projektowania dedykowanych układów scalonych, wymaga jednak dużych nakładów obliczeniowych, gdyż symulacje należy wielokrotnie powtarzać dla różnych wartości parametrów wejściowych. Zaproponowano zatem implementację przedstawionych algorytmów w układzie FPGA (Field Programmable Gate Array), pozwalającym na zrównoleglenie dużej ilości obliczeń i przez to na znaczące ich przyspieszenie.

EN

In recent years, there have been a lot of improvements in application of specific integrated circuits. New ideas have been also implemented in 2D X-Ray detectors which can be used in medical imaging. To understand the structure and the functionality of biological systems, there are required imaging systems of high spatial resolution. The aim is to improve the image quality but also to reduce the time of tissue exposure to the radiation. One of the major problems that needs to be solved while designing a detector with pixel dimensions less than 200 μm x 200 μm is compensation of charge sharing effect, presented schematically in Fig. 1. When a photon hits a detector close to the border between pixels, the resultant charge cloud is divided between up to four neighbor readout channels. Introduction of the compensation algorithm C8P1 [1] leads to a proper measurement of the spatial hit position as well as photon energy despite the fact that charge sharing occurred. Since the algorithm should be verified before hardware implementation, simulation using the Monte Carlo method was implemented. The simulation step is a crucial part in a design process, although it often takes much time to perform the simulations, as there are multiple parameters in the model that vary in specific ranges (Tab. 1). Taking the execution time into account, a new solution using the FPGA (Field Programmable Gate Array) was proposed (Fig. 4). Measurements of the operation execution time (Tab. 2) show that implementing simulations in an FPGA chip can accelerate calculations about 1000 times in comparison with the standard PC implementation (with Intel Core i7 processor), which is a significant improvement considering the integrated circuit design process.

Słowa kluczowe

PL

efekt podziału ładunku; FPGA; metoda Monte Carlo

EN

charge sharing; FPGA; Monte Carlo method

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 3
• Strony: 262--265
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., schem., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Maj P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Metrologii i Elektroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Drozd A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Metrologii i Elektroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Szczygiel R., Grybos P., Maj P.: A Prototype Pixel Readout IC for High Count Rate X-Ray Imaging Systems in 90 nm CMOS Technology. Transactions on Nuclear Science, vol. 57, No. 3, Junec 2010.
• [2] Szczygiel R., Grybos P., Maj P., Zolodz M.: PXD 18k - Fast Single Photon Counting Chip with Energy Window for Hybrid Pixel Detector, 2011 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record.
• [3] Maj P., Baumbaugh A., Deptuch G., Grybos P., Szczygiel R.: Algorithms for minimization of charge sharing effects in a hybrid pixel detector taking into account hardware limitations in deep submicron technology. IOP Publishing for SISSA MEDIALAB, December, 2012.
• [4] Castoldi A., Rehak P., Holl P.: Signal Charge Sharing in Multilinear Drift Detectors: Design and Experimental Characterization, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 44, No. 2, April 1997.
• [5] Komarov S., Yin Y., Wu H., Tai Y.: Simulation Study of Charge Collection in Highly Pixilated CdZnTe Detector for PET Imaging. 2009 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record.
• [6] Maj P., Baumbaugh A., Deptuch G., Grybos P., Szczygiel R.: Minimization of Charge Sharing Effect in Silicon Hybrid Pixel X-Ray Detectors Based on Pattern Recognition Algorithm, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 19-21 March 2012, pp. 551 – 556.
• [7] Bergamaschi A., Broennimann Ch., Dinapoli R., Eikenberry E., Gozzo F., Henrich B., Kobas M., Kraft B., Patterson P., Schmitt B.,: Performance of a single photon counting microstrip detector for strip pitches down to 10 mm. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008) 163–166.