CCD與CMOS像素傳感器γ射線電離輻射響應特性對比研究

徐守龍，鄒樹梁*，黃有駿，郭 贊，匡 雅

(1.南華大學 環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001； 2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610213)

1 引 言

基于硅光電二極管結構的像素傳感器根據制造工藝可分為電荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)和互補金屬氧化物半導體(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)兩類，這兩類傳感器具有相同的感光區域結構，僅在讀出方式上有所不同[1-2]。近年來，隨著像素傳感器在輻射環境中的廣泛應用，國內外針對像素傳感器γ射線電離輻射的研究逐漸增多[3-12]。本團隊開展了一系列針對像素傳感器的γ射線輻射效應的研究，對比了多類CCD及CMOS像素傳感器的電離輻射損傷效應[13-14]，重點分析了γ射線電離輻射對CMOS 有源像素傳感器性能參數的影響[15]，并探討了像素傳感器在核事故輻射環境中的可用性[16-18]。研究結果表明，相較于CCD圖像傳感器，CMOS APS具有更優越的耐輻射性能，但γ射線的輻射仍會使其性能參數受到影響。同時，當代電子學的發展使這種具有低增益的光敏器件能夠用于粒子探測器，具有結構輕便、穩定性好、成本低廉，并且對磁場不靈敏或低靈敏等特點[19-20]。CCD傳感器低噪聲的特點使其能夠被用于粒子物理實驗研究[21-23]。然而，受限于元器件的流片制造工藝，只能在成熟產品上進行二次開發，或重新設計生產線，因此技術研發受到一定限制。目前國內外的主要研究重點仍在討論利用CCD進行核輻射探測的可能性，以及研究通過間接探測等方式結合商用CCD像素傳感器進行核輻射探測的方法。用作感光元件的CMOS有源像素傳感器根據接口規格可分為模擬輸出像素傳感器、數字輸出像素傳感器和SoC型像素傳感器3種類型[24]。十九世紀初，歐洲學者發現CMOS單片像素傳感器具有輻射響應特性，能夠作為粒子物理實驗中的高精度頂點探測器應用[25]，近年來基于CMOS像素傳感器輻射響應的探測技術引起介入放射學[26]、輻射防護[27]、宇宙射線探測[28]、智能手機輻射探測[29-30]等各個領域的廣泛關注，對商用CMOS像素傳感器輻射響應特性[31]和輻射探測方法[32-34]的研究成為新型半導體探測器研究領域的一個熱門方向。

我們在前期研究工作中發現，CCD和CMOS像素傳感器在遮光及自然光條件下均對γ射線有不同程度的響應[13]。本文通過設計輻射實驗，進一步分析像素傳感器在不同劑量率γ射線輻照條件下的輻射響應特性，對比研究CCD和CMOS像素傳感器的響應差異。本研究為進一步發展基于像素傳感器的γ射線輻射探測技術提供了重要的理論分析和實驗數據支撐。

2 實 驗

2.1 試驗樣品與試驗過程

實驗樣品選用4種像素探測器放置于相同輻照環境中同時進行輻照實驗。實驗樣品參數如表1所示。放射源采用單柵板式平面排列60Co γ射線放射源，源棒數量504支，分四層排列，每層兩門，每門63支，每兩支間距21mm，光子能量為1.17，1.33MeV，放射源平均活度為680kCi，輻射場不均勻度小于15%，環境溫度約為19℃。初始狀態時，放射源處于井底儲存位中，實驗開始后，放射源從初始位上升到預定位，升源時間為50s。將4種像素傳感器分別置于劑量率為16.63，20.20，58.30Gy/h(SiO2)的實驗點處，劑量率采用重鉻酸銀化學劑量計測算獲得，劑量率不確定度小于8%。輸出信號通過混合網絡硬盤錄像機采集，采樣率為25Hz，實時采集像素陣列傳感器各像元輸出信號灰度值及像元的位置信息，傳感器積分時間為1/25s。

單獨1個積分周期內所有像元輸出信號灰度統計平均值(Dm)計算公式如下式所示：

(1)

式中M、N分別為像素傳感器行、列像元數量；Di,j為第j行第i列的像元的灰度值。

表1 像素探測器實驗樣品參數Tab.1 Parameters of the samples

3 結果與討論

當傳感器像元發生入射γ光子電離輻射響應時，各像元輸出與響應程度相關的灰度值，4種樣品在不同劑量率條件下像素陣列光子響應事件分布如圖1～4所示。從圖中可以看出，各類傳感器的光子響應程度均與輻射水平即劑量率相關，劑量率增大，同一時間發生響應的像元數量增多，并且輸出灰度值增大。這是由于較高的輻射環境能夠在像元內沉積較多能量，從而產生更多的電荷，這部分由γ光子電離輻射產生的電荷被收集后，輸出與之數量相對應的灰度值。對比4種像素傳感器可以看出，2種CMOS有源像素傳感器在相同輻射水平條件下，響應水平差異較大；而2種CCD像素傳感器光子響應水平差異較小，這可能是由于生產商及像元尺寸存在的差異引起的。同時，相同劑量率條件下CMOS像素傳感器響應事件的峰值較CCD傳感器大得多。

圖1 SONY IMX 222LQJ像素傳感器光子響應事件分布圖Fig.1 Distribution diagram of photon response events in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

圖2 AR0130像素傳感器光子響應事件分布圖Fig.2 Distribution diagram of photon response events in AR0130 pixel sensor

圖3 SONY 811像素傳感器光子響應事件分布圖Fig.3 Distribution diagram of photon response events in SONY 811 pixel sensor

圖4 SONY 673像素傳感器光子響應事件分布圖Fig.4 Distribution diagram of photon response events in SONY 673 pixel sensor

圖5為CCD及CMOS像素傳感器結構示意圖，可以看出，兩種傳感器感光區域結構相同，但信號轉移方式上存在的差異導致CCD像素傳感器的光子響應事件圖比CMOS像素傳感器模糊。這是由于CMOS像素傳感器的每個像元單獨輸出信號，而CCD像素傳感器則通過溝道傳輸，CCD的這種溝道傳輸結構使每列像元間更容易相互干擾。

圖5 像素傳感器結構示意圖。(a)CMOS有源像素傳感器；(b)三相兩位N溝道CCD圖像傳感器。Fig.5 Schematic diagram of pixel sensor.(a)CMOS active image sensor.(b)CCD image sensor.

圖6 探測器輸出信號量在300個積分周期內的變化曲線圖Fig.6 Pixel gray value of each sensor for different irradiation dose rates

分別截取3種劑量率輻照條件下300個積分周期所采集的像元輸出平均灰度值，并繪制曲線圖如圖6所示。圖中，各吸收劑量率輻照條件下像元的平均灰度值在區間內圍繞均值上下波動，并且統計平均值隨劑量率的增大存在明顯的梯度。因此，需要對多個積分周期進行統計，降低灰度值統計平均值的誤差，這是由于能量沉積在各像元內不均勻造成的。對比4種像素傳感器響應曲線可以看出：相同劑量率條件下，各像素傳感器在300個積分周期內輸出信號灰度值存在差異；CCD像素傳感器輸出灰度值曲線上下浮動范圍在3以內；而CMOS較大，在5以內。

圖7 SONY IMX 222LQJ像素傳感器典型光子響應事件網格圖Fig.7 Mesh of typical photon response event in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

圖8 AR0130像素傳感器典型光子響應事件網格圖Fig.8 Mesh of typical photon response event in AR0130 pixel sensor

圖9 SONY 811像素傳感器典型光子響應事件網格圖Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 811 pixel sensor

圖10 SONY 673像素傳感器典型光子響應事件網格圖Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 673 pixel sensor

各類像素傳感器在不同劑量率條件下的典型光子響應事件如圖7～10所示。由圖可知，CMOS像素傳感器光子響應事件中峰型較為陡峭，影響像元數量較少，而CCD像素傳感器較平緩，影響像元數量較多。對于整個像素陣列，CCD像素傳感器表現為各個像元對入射光子均有所響應，而CMOS像素傳感器表現為某個區域中部分像元輸出信號灰度值較大或達到峰值，對相鄰像素影響較小。這與前文光子響應事件分布分析結論相同，是由于CCD與CMOS像素結構差異及信號傳遞方式導致的。CMOS像素傳感器各像元對光子的響應更加明顯，當光子注量率較大時，更多的像元能夠對光子進行響應；而CCD像素傳感器中，多數像元對光子響應產生的信號被相鄰像元造成的串擾信號淹沒。同時，發生光子響應的像元數量隨像元尺寸增大而增多，這是由于像元尺寸增大后，像元表面入射的光子數量更多，光子在像元內的沉積能增多。并且當劑量率增大時，像素陣列區域中發生典型光子響應的像元數量增多，相應區域面積增大。這說明響應事件并非是單個光子的行為，而是反映了多個光子在區域內同時沉積能量的過程。

4 結 論

對比了4種像素傳感器在不同劑量率γ射線輻照條件下的輻射響應特性，研究了兩類傳感器在光子輻射響應程度與響應事件的差異，得出以下結論：

(1)較高的輻射水平在像元內沉積較多能量，產生更多的電荷并被收集，因此兩類傳感器的光子響應程度均與輻射水平即劑量率相關。

(2)4種像素傳感器生產商、像元尺寸及信號傳輸方式的不同，使同一輻射水平條件下各傳感器的輻射響應存在差異，CCD像素傳感器的溝道傳輸方式使每列像元間的輻射響應更容易相互干擾。

(3)各像素傳感器輸出灰度值統計平均值隨劑量率的增大存在明顯的梯度，相同劑量率條件下，各像素傳感器在300個積分周期內輸出信號灰度值存在差異，并在區間內圍繞均值上下波動，CCD像素傳感器輸出灰度值浮動范圍較小。

(4)CCD與CMOS像素結構差異及信號傳遞方式是兩類像素傳感器典型光子響應事件存在差異的根本原因。CMOS像素傳感器各像元對光子的響應更加明顯；CCD像素傳感器中多數像元對光子響應產生的信號受到相鄰像元串擾信號的影響嚴重。

(5)隨著劑量率增大，4種像素傳感器典型輻射響應事件區域中發生光子響應的像元數量增多，像素陣列中響應區域面積增大，這是由于輻射響應事件并非單個光子的行為，而是反映了多個光子在區域內同時沉積能量的過程。

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