CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

徐守龙，邹树梁*，黄有骏，郭 赞，匡 雅

(1.南华大学 环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001； 2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213)

1 引 言

基于硅光电二极管结构的像素传感器根据制造工艺可分为电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)和互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)两类，这两类传感器具有相同的感光区域结构，仅在读出方式上有所不同[1-2]。近年来，随着像素传感器在辐射环境中的广泛应用，国内外针对像素传感器γ射线电离辐射的研究逐渐增多[3-12]。本团队开展了一系列针对像素传感器的γ射线辐射效应的研究，对比了多类CCD及CMOS像素传感器的电离辐射损伤效应[13-14]，重点分析了γ射线电离辐射对CMOS 有源像素传感器性能参数的影响[15]，并探讨了像素传感器在核事故辐射环境中的可用性[16-18]。研究结果表明，相较于CCD图像传感器，CMOS APS具有更优越的耐辐射性能，但γ射线的辐射仍会使其性能参数受到影响。同时，当代电子学的发展使这种具有低增益的光敏器件能够用于粒子探测器，具有结构轻便、稳定性好、成本低廉，并且对磁场不灵敏或低灵敏等特点[19-20]。CCD传感器低噪声的特点使其能够被用于粒子物理实验研究[21-23]。然而，受限于元器件的流片制造工艺，只能在成熟产品上进行二次开发，或重新设计生产线，因此技术研发受到一定限制。目前国内外的主要研究重点仍在讨论利用CCD进行核辐射探测的可能性，以及研究通过间接探测等方式结合商用CCD像素传感器进行核辐射探测的方法。用作感光元件的CMOS有源像素传感器根据接口规格可分为模拟输出像素传感器、数字输出像素传感器和SoC型像素传感器3种类型[24]。十九世纪初，欧洲学者发现CMOS单片像素传感器具有辐射响应特性，能够作为粒子物理实验中的高精度顶点探测器应用[25]，近年来基于CMOS像素传感器辐射响应的探测技术引起介入放射学[26]、辐射防护[27]、宇宙射线探测[28]、智能手机辐射探测[29-30]等各个领域的广泛关注，对商用CMOS像素传感器辐射响应特性[31]和辐射探测方法[32-34]的研究成为新型半导体探测器研究领域的一个热门方向。

我们在前期研究工作中发现，CCD和CMOS像素传感器在遮光及自然光条件下均对γ射线有不同程度的响应[13]。本文通过设计辐射实验，进一步分析像素传感器在不同剂量率γ射线辐照条件下的辐射响应特性，对比研究CCD和CMOS像素传感器的响应差异。本研究为进一步发展基于像素传感器的γ射线辐射探测技术提供了重要的理论分析和实验数据支撑。

2 实 验

2.1 试验样品与试验过程

实验样品选用4种像素探测器放置于相同辐照环境中同时进行辐照实验。实验样品参数如表1所示。放射源采用单栅板式平面排列60Co γ射线放射源，源棒数量504支，分四层排列，每层两门，每门63支，每两支间距21mm，光子能量为1.17，1.33MeV，放射源平均活度为680kCi，辐射场不均匀度小于15%，环境温度约为19℃。初始状态时，放射源处于井底储存位中，实验开始后，放射源从初始位上升到预定位，升源时间为50s。将4种像素传感器分别置于剂量率为16.63，20.20，58.30Gy/h(SiO2)的实验点处，剂量率采用重铬酸银化学剂量计测算获得，剂量率不确定度小于8%。输出信号通过混合网络硬盘录像机采集，采样率为25Hz，实时采集像素阵列传感器各像元输出信号灰度值及像元的位置信息，传感器积分时间为1/25s。

单独1个积分周期内所有像元输出信号灰度统计平均值(Dm)计算公式如下式所示：

(1)

式中M、N分别为像素传感器行、列像元数量；Di,j为第j行第i列的像元的灰度值。

表1 像素探测器实验样品参数Tab.1 Parameters of the samples

3 结果与讨论

当传感器像元发生入射γ光子电离辐射响应时，各像元输出与响应程度相关的灰度值，4种样品在不同剂量率条件下像素阵列光子响应事件分布如图1～4所示。从图中可以看出，各类传感器的光子响应程度均与辐射水平即剂量率相关，剂量率增大，同一时间发生响应的像元数量增多，并且输出灰度值增大。这是由于较高的辐射环境能够在像元内沉积较多能量，从而产生更多的电荷，这部分由γ光子电离辐射产生的电荷被收集后，输出与之数量相对应的灰度值。对比4种像素传感器可以看出，2种CMOS有源像素传感器在相同辐射水平条件下，响应水平差异较大；而2种CCD像素传感器光子响应水平差异较小，这可能是由于生产商及像元尺寸存在的差异引起的。同时，相同剂量率条件下CMOS像素传感器响应事件的峰值较CCD传感器大得多。

图1 SONY IMX 222LQJ像素传感器光子响应事件分布图Fig.1 Distribution diagram of photon response events in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

图2 AR0130像素传感器光子响应事件分布图Fig.2 Distribution diagram of photon response events in AR0130 pixel sensor

图3 SONY 811像素传感器光子响应事件分布图Fig.3 Distribution diagram of photon response events in SONY 811 pixel sensor

图4 SONY 673像素传感器光子响应事件分布图Fig.4 Distribution diagram of photon response events in SONY 673 pixel sensor

图5为CCD及CMOS像素传感器结构示意图，可以看出，两种传感器感光区域结构相同，但信号转移方式上存在的差异导致CCD像素传感器的光子响应事件图比CMOS像素传感器模糊。这是由于CMOS像素传感器的每个像元单独输出信号，而CCD像素传感器则通过沟道传输，CCD的这种沟道传输结构使每列像元间更容易相互干扰。

图5 像素传感器结构示意图。(a)CMOS有源像素传感器；(b)三相两位N沟道CCD图像传感器。Fig.5 Schematic diagram of pixel sensor.(a)CMOS active image sensor.(b)CCD image sensor.

图6 探测器输出信号量在300个积分周期内的变化曲线图Fig.6 Pixel gray value of each sensor for different irradiation dose rates

分别截取3种剂量率辐照条件下300个积分周期所采集的像元输出平均灰度值，并绘制曲线图如图6所示。图中，各吸收剂量率辐照条件下像元的平均灰度值在区间内围绕均值上下波动，并且统计平均值随剂量率的增大存在明显的梯度。因此，需要对多个积分周期进行统计，降低灰度值统计平均值的误差，这是由于能量沉积在各像元内不均匀造成的。对比4种像素传感器响应曲线可以看出：相同剂量率条件下，各像素传感器在300个积分周期内输出信号灰度值存在差异；CCD像素传感器输出灰度值曲线上下浮动范围在3以内；而CMOS较大，在5以内。

图7 SONY IMX 222LQJ像素传感器典型光子响应事件网格图Fig.7 Mesh of typical photon response event in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

图8 AR0130像素传感器典型光子响应事件网格图Fig.8 Mesh of typical photon response event in AR0130 pixel sensor

图9 SONY 811像素传感器典型光子响应事件网格图Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 811 pixel sensor

图10 SONY 673像素传感器典型光子响应事件网格图Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 673 pixel sensor

各类像素传感器在不同剂量率条件下的典型光子响应事件如图7～10所示。由图可知，CMOS像素传感器光子响应事件中峰型较为陡峭，影响像元数量较少，而CCD像素传感器较平缓，影响像元数量较多。对于整个像素阵列，CCD像素传感器表现为各个像元对入射光子均有所响应，而CMOS像素传感器表现为某个区域中部分像元输出信号灰度值较大或达到峰值，对相邻像素影响较小。这与前文光子响应事件分布分析结论相同，是由于CCD与CMOS像素结构差异及信号传递方式导致的。CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显，当光子注量率较大时，更多的像元能够对光子进行响应；而CCD像素传感器中，多数像元对光子响应产生的信号被相邻像元造成的串扰信号淹没。同时，发生光子响应的像元数量随像元尺寸增大而增多，这是由于像元尺寸增大后，像元表面入射的光子数量更多，光子在像元内的沉积能增多。并且当剂量率增大时，像素阵列区域中发生典型光子响应的像元数量增多，相应区域面积增大。这说明响应事件并非是单个光子的行为，而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。

4 结 论

对比了4种像素传感器在不同剂量率γ射线辐照条件下的辐射响应特性，研究了两类传感器在光子辐射响应程度与响应事件的差异，得出以下结论：

(1)较高的辐射水平在像元内沉积较多能量，产生更多的电荷并被收集，因此两类传感器的光子响应程度均与辐射水平即剂量率相关。

(2)4种像素传感器生产商、像元尺寸及信号传输方式的不同，使同一辐射水平条件下各传感器的辐射响应存在差异，CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰。

(3)各像素传感器输出灰度值统计平均值随剂量率的增大存在明显的梯度，相同剂量率条件下，各像素传感器在300个积分周期内输出信号灰度值存在差异，并在区间内围绕均值上下波动，CCD像素传感器输出灰度值浮动范围较小。

(4)CCD与CMOS像素结构差异及信号传递方式是两类像素传感器典型光子响应事件存在差异的根本原因。CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显；CCD像素传感器中多数像元对光子响应产生的信号受到相邻像元串扰信号的影响严重。

(5)随着剂量率增大，4种像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量增多，像素阵列中响应区域面积增大，这是由于辐射响应事件并非单个光子的行为，而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。

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