Characterisation of silicon strip detectors with a binary readout chip for X-ray imaging

In this paper we describe the development of a multichannel readout system for X-ray measurements using silicon strip detectors. The developed system is based on a binary readout architecture and optimised for detection of X-rays of energies in the range 6}30 keV. The critical component of the system is the 32-channel front-end chip, RX32N, which has been optimised for low noise performance, small channel to channel variation and high counting rate operation. The performance of the chip is demonstrated by measurements of complex X-ray spectra using silicon strip and pad detectors. The obtained results allow to use the system at room temperature with the detection threshold in the range from 500 to 10 000 electrons, which is enough in many crystallographic and medical imaging applications. ( 2000 Elsevier Scienc

Challenges in QCD matter physics - The Compressed Baryonic Matter experiment at FAIR

Substantial experimental and theoretical efforts worldwide are devoted to explore the phase diagram of strongly interacting matter. At LHC and top RHIC energies, QCD matter is studied at very high temperatures and nearly vanishing net-baryon densities. There is evidence that a Quark-Gluon-Plasma (QGP) was created at experiments at RHIC and LHC. The transition from the QGP back to the hadron gas is found to be a smooth cross over. For larger net-baryon densities and lower temperatures, it is expected that the QCD phase diagram exhibits a rich structure, such as a first-order phase transition between hadronic and partonic matter which terminates in a critical point, or exotic phases like quarkyonic matter. The discovery of these landmarks would be a breakthrough in our understanding of the strong interaction and is therefore in the focus of various high-energy heavy-ion research programs. The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at FAIR will play a unique role in the exploration of the QCD phase diagram in the region of high net-baryon densities, because it is designed to run at unprecedented interaction rates. High-rate operation is the key prerequisite for high-precision measurements of multi-differential observables and of rare diagnostic probes which are sensitive to the dense phase of the nuclear fireball. The goal of the CBM experiment at SIS100 (sqrt(s_NN) = 2.7 - 4.9 GeV) is to discover fundamental properties of QCD matter: the phase structure at large baryon-chemical potentials (mu_B > 500 MeV), effects of chiral symmetry, and the equation-of-state at high density as it is expected to occur in the core of neutron stars. In this article, we review the motivation for and the physics programme of CBM, including activities before the start of data taking in 2022, in the context of the worldwide efforts to explore high-density QCD matter.Comment: 15 pages, 11 figures. Published in European Physical Journal

Analysing parameters of automatic matching processes on aerial images

W ramach prac prowadzonych w Zakładzie Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej AGH, powstał algorytm dopasowania zdjęć lotniczych. Wykorzystuje on funkcje dostępnej biblioteki opensourcowej OpenCV służącej do przetwarzania obrazów. Algorytm aplikacji znajdującej punkty homologiczne na obrazach tworzących stereogram, wykorzystuje bibliotekę „OpenCV”. Działanie algorytmu polega na wyznaczaniu na pewnej określonej części obrazu prawego, najlepszego dopasowania szablonu pobranego z obrazu lewego, przechodząc sukcesywnie przez kolejne poziomy piramidy obrazów lewego i prawego. Szablon ze zdjęcia lewego jest buforem, o określonym rozmiarze zależnym od poziomu piramidy, wokół punktu, który będziemy szukać na zdjęciu prawym. Część obrazu prawego, na którym dokonuje sie przeszukiwania jest wyznaczana jako bufor, o punkcie centralnym równym przewidywanemu położeniu punktu homologicznego na zdjęciu prawym. Określenie prawdopodobnego położenia szukanego punktu następuje na podstawie wartości przesunięcia między obrazami – jeżeli jest to pierwsza iteracja po poziomach piramidy, lub na podstawie położenia punktu z poprzedniego poziomu piramidy, gdy wartość współczynnika dopasowania jest większa od zadanego progu. Przeszukanie zaczyna sie od najmniejszego obrazu piramidy, czyli od najwyższego poziomu. Przechodzi kolejno na poziomy niżej i kończy sie na obrazie oryginalnym. Na każdym poziomie piramidy korelowane są poszczególne punkty, a wyniki są zapisywane do odpowiedniego wektora. Wartość współczynnika dopasowania decyduje o wielkości obszaru do przeszukania na zdjęciu prawym. Wartości przesunięć po osi x i y są na bieżąco aktualizowane dla punktów wykazujących wysoki współczynnik dopasowania (minimalizacja błędów).Określenie dopasowania danego szablonu na obszarze przeszukiwania polega na obliczeniu wartości funkcji dwuwymiarowej kowariancji (korelacji lub odległości) dla sygnałów dwuwymiarowych, jakimi są obrazy i przedstawieniu tego w postaci mapy dopasowania dla każdego położenia szablonu względem obszaru przeszukiwania. Określenie najlepszego dopasowania polega na znalezieniu maksymalnej wartości piksela na powstałej mapie i zwróceniu go jako szukany punkt. Celem podniesienia wydajności algorytmu dokonano testów oraz analizy doboru parametrów dopasowania obrazów. W trakcie badan ustalony został optymalny rozmiar szablonu, zbadano także zachowanie współczynnika dopasowania obrazów.One of the works conducted in the Department of Photogrammetry and Remote Sensing Informatics, University of Science and Technology, Kraków, Poland included the development of an algorithm for aerial images matching. The algorithm utilises the function of an available OpenCV opensource library, which is used to process images. The application algorithm, which finds homological points in images that form a stereogram, utilizes the OpenCV library. The operation of the algorithm consists in determining, in a particular part of the right image, the best template downloaded from the left image, by means of successive passing through the levels of the right and left image pyramids. The left image template is a buffer of a specific size, which depends on the pyramid level, around the point to be searched for in the right image. Part of the right image, in which the search is performed, is determined as a buffer whose central point is equivalent to the anticipated position of the homological point in the right image. The determination of the probable position of the point searched for is made based on the displacement value between images, provided that that this is the first iteration after the pyramid levels, or based on the point's position from the previous pyramid level, when the value of the matching coefficient is higher than the threshold set. The search starts from the smallest image of the pyramid, it is from the highest level. Then, it passes to lower levels, one after another, and ends in the original image. On each level of the pyramid, particular points are corrected, and results are ascribed to proper vectors. The value of a matching coefficient determines the size of the area in the right image to be searched through. The values of displacement along the x and y axes are updated on a current basis, with respect to points that demonstrate high matching coefficient (the minimisation of errors). The determination of a given template matching within the search area consists in calculating the value of a two-dimensional co-variance function (correlation or distance) for two-dimensional signals that the images are, and presenting them in a form of a matching map for each template position in relation to the search area. The determination of a best match consists in finding the maximum value of pixel on the map, and returning it as the point searched for. In order to improve the efficiency of the algorithm, tests were conducted along with the analysis of image matching parameters' selection. An optimum size of the template was determined in the course of research, and also the behaviour of the image matching coefficient was studied

Application specific integrated circuits for readout of microsensors arrays

W eksperymentach fizycznych, medycznych, biologicznych, badaniach materiałowych coraz częściej zastosowanie znajdują różnego rodzaju matryce mikroczujników, składające się z setek, a nawet tysięcy elementów detekcyjnych. Efektywna obsługa matryc mikroczujników wymaga, aby każdy z elementów detekcyjnych posiadał swój niezależny tor elektroniki odczytu zapewniający kondycjonowanie sygnału analogowego, jego zamianę na postać cyfrową oraz kompresję zebranych danych. Tego typu rozwiązania są możliwe w technologii VLSI, gdzie elektronika odczytu do w/w matryc mikroczujników jest projektowana i wykonywana w formie wielokanałowych specjalizowanych układów scalonych (ASIC). Jednak na wielokanałowe układy ASIC narzucane są szczególne wymagania dotyczące rozmiarów, pobieranej mocy, minimalizacji szumów oraz jednorodności parametrów poszczególnych kanałów. Ponadto w systemach wielokanałowych istotna staje się szybkość przetwarzania danych i ich dalsza transmisja do systemów nadrzędnych. Artykuł omawia wybrane istotne aspekty projektowania wielokanałowych układów scalonych oraz stosowane rozwiązania dotyczące gromadzenia danych, kompresji i ich sposobów przesyłania do systemów nadrzędnych, które uzależnione są od konkretnej aplikacji.Nowadays arrays of microsensors are often used in experimental sciences like physics, biology, material science or medical imaging. Effective use of these arrays requires multichannel electronic readout systems. The readout electronics is often made as ASIC (Application Specific Integrated Circuits) which is responsible for analog and digital signal processing. Because of multichannel architecture of the integrated circuit dedicated to the readout of microsensor arrays, there are several important constrains which must be fulfilled during the design process like area and power limitation per single channel, noise minimization and uniformity of analog parameters for all channel. Additionally the digital blocks in a such ASIC obtain a lot of data, which must be compressed, stored and transmitted to data acquisition system. The paper describes important design aspects of multichannel circuit and methods used for data compression

Readout Electronics for Pixel Detectors in Deep Submicron and 3D Technologies

We have designed, fabricated in 90 nm technology and tested a prototype ASIC for readout of semiconductor pixel detectors for X-ray imaging applications. The 4mm x 4mm readout IC is working in single photon counting mode and contains a pixel matrix of 1280 readout channels with dimensions of 100 µm × 100 µm each. We present the architecture, the measurement results of this IC and our conclusions. To make this chip more attractive for novel experiments, we need to further increase single pixel functionality and at the same time reduce the pixel area. This leads us to the 3D technology with at least two layers: analogue and digital and additionally the sensor layer. We present the concept of the 3D hybrid pixel chip design with small pixel size and the ability to build a dead-space free large area pixel matrix

Measuring system for in vivo multichannel neural signals recording

W pracy opisano system przeznaczony do rejestracji sygnałów neuronowych mózgu zwierzęcia znajdującego się pod narkozą. System pozwala na jednoczesny pomiar sygnałów z 64 kanałów za pośrednictwem ostrzowej matrycy elektrod. Składa się on z dedykowanego układu scalonego do wzmacniania i filtracji sygnałów, układów zasilających oraz układu kontrolnego. Do akwizycji danych wykorzystywany jest komputer typu PXI (ang. Peripheral Component Interconnect eXtensions for Instrumentation). Wstępne testy przeprowadzone przy pomocy sygnałów imitujących potencjały czynnościowe podanych za pośrednictwem elektrod i płynu fizjologicznego potwierdzają poprawne działanie systemu.This paper describes a system for recording neural signals from the brain of the animal under anesthesia. The system allows for simultaneous measurement of signals from 64 points by means of penetrating microelectrode matrix. It consists of dedicate integrated circuit for signal amplification and filtering, power supply module and control module. Dedicated data acquisition is peiformed using PXI (Peripheral Component Interconnect eXtensions for Instrumentation) computer and a custom application. Preliminary tests conducted with action potentials simulating signals provided through the electrodes and saline show that the system operates properly

64 Channel ASIC for Neurobiology Experiments

This paper presents the design and measurements of 64 channel Application Specific Integrated Circuits (ASIC) for recording signals in neurobiology experiments. The ASIC is designed in 180 nm technology and operates with ± 0.9 V supply voltage. Single readout channel is built of AC coupling circuit at the input and two amplifier stages. In order to reduce the number of output lines, the 64 analogue signals from readout channels are multiplexed to a single output by an analogue multiplexer. The gain of the single channel can be set either to 350 V/V or 700 V/V. The low and the high cut-off frequencies can be tuned in 9 ÷ 90 Hz and in the 1.6 ÷ 24 kHz range respectively. The input referred noise is 7 µV rms in the bandwidth 90 Hz - 1.6 kHz and 9 µ V rms in the bandwidth 9 Hz - 24 kHz. The single channel consumes 200 µW of power and this together with other parameters make the chip suitable for recording neurobiology signals

A system for in vitro multichannel recording of field and action potentials using planar array of microelectrodes

Jednoczesna wielopunktowa rejestracja potencjałów czynnościowych i polowych jest kluczem do zrozumienia mechanizmów działania mózgu [1]. Postęp w technologiach mikroobróbki oraz produkcji układów scalonych o dużym stopniu integracji pozwoliły na budowę systemów umożliwiających rejestrację aktywności mózgu z kilkuset punktów. W pracy zaprezentowano system pomiarowy do rejestracji in vitro sygnałów neuronowych przy pomocy płaskiej matrycy elektrod ostrzowych o rozmiarze 16 na 16 elektrod.Simultaneous multi-point recording of activity of living neural networks is the key to understanding the mechanisms of the brain operation [1]. Advances in micromachining technology and production of integrated circuits with a high degree of integration made it possible to build systems capable of recording brain activity of electrode arrays containing up to several hundred points [2]. Neural signal recording methods can be divided into in vivo and in vitro. In vivo method consists in introducing the electrode into the brain through a hole in the skull The animal under anesthesia may be mounted in the holder (acute neural recording) or canmove freely (chronic neural recording). In the in vitro method previously extracted piece of brain tissue is arranged on a matrix of electrodes (Fig. 2) placed in a container of liquid with a suitable composition and temperature. The in vitro method allows direct injection of chemicals and is more accurate than the method for in vivo determination of the signal origin. The paper presents a system for in vitro recording of neural signals by using a planar array of 256 electrodes (16x16). The system consists of a life-support system (temperature, nutrient fluid) (Fig. 3) and a recording system. The recording system is based on a specially designed integrated circuit fabricated in CMOS 0.18 žm technology [4]. Initial tests confirmed that the system is capable of recording both field and action potentials

Tests of system for digital imaging with the X-ray of high intensity and selection of photon energy

W pracy przedstawiono budowę i wyniki testów zintegrowanego modułu do obrazowania cyfrowego umożliwiającego pracę z promieniowaniem X o dużym natężeniu i selekcje fotonów w zależności od ich energii. Elementem detekcyjnym modułu jest paskowy detektor krzemowy, z którego informacja jest odbierana i przetwarzana przez wielokanałowe specjalizowane układy scalone o architekturze binarnej. Uzyskane wyniki pomiarów 128 kanałowego modułu potwierdzają bardzo dobrą jednorodność poszczególnych kanałów, niski poziom szumów elektroniki odczytu oraz jej poprawną pracę również w przypadku bardzo dużej częstości impulsów wejściowych.The paper presents construction and tests of integrated module for digital X-ray imaging. This module could work with high X-ray intensity and selects photons according their energy. The module consists of silicon strip detector and ASICs of binary architecture. The measurement results of 128-channel module show its good noise parameters, uniformity of analogue parameters of multichannel ASIC and its possibility to work with high rate of input pulses