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Calibration & optimization procedures for an ultrafast DEPFET based electron detector (EDET)
Calibration & optimization procedures for an ultrafast DEPFET based electron detector (EDET)
HLL und MPSD entwickeln einen neuartigen Elektronen-Detektor, der mit einer bis-lang unerreichten Bildfrequenz von 80 kHz, schnell ablaufende biologische und chemi-sche Prozesse aufzeichnen wird. Maßgefertigt für die Fokalebene eines Transmissi-onselektronenmikroskops, sollen verschiedenste Proben bei unterschiedlichen Vergrö-ßerungen abgebildet und ihre Dynamik erfasst werden. Aufgrund seiner exzellenten Zeitauflösung eignet sich dieser Detektor hervorragend dazu, Filme von Streuungs- oder Schattenbildern aufzuzeichnen. Die zu beobachtenden, schnellen dynamischen Prozesse laufen in eigens dafür entwickelten Gefäßen, den „environmental cells“ ab. Der Sensor selbst basiert auf der DEPFET Technologie. Jeder Pixel besteht aus einem MOSFET mit eingebauter Verstärkung für das Ladungssignal. Abgesehen von einer hohen Ladungssammlungskapazität zeichnet sich dieser durch eine zweistufige Ver-stärkung aus: ein hoher Verstärkungsfaktor für niedrige Signalamplituden und ein redu-zierter für starke Signale. Auf diese Weise liefert der Detektor eine hohe Auflösung auch für kleine Signale bei gleichzeitiger Erhaltung eines großen dynamischen Berei-ches. Aufgrund von Prozessvariationen weichen die individuellen Pixel-Antwortsfunktionen mehr oder weniger stark voneinander ab. Für einen Detektor, bestehend aus über 1 Million Pixeln, stellt dies eine große Herausforderung für eine effiziente Pixelkalibrierung dar. Zur Erreichung der bestmöglichen Signalqualität muss auch die hohe Zahl von Bias- und Timing-Parametern für die Ausleseelektronik optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die entwickelten Algorithmen und Prozeduren zur Kalibrierung und Optimierung der Detektoren vorgestellt. Ihre Anwendung auf ein Proto-typ-Testsystem wird beschrieben, wo sie sich als effizient, effektiv und als übertragbar auf ein großes Modul erwiesen., A novel electron detector, with an unprecedented frame rate of 80 kHz envisages the observation of the fast dynamics occurring in chemical and biological processes. As-sembled into the focal plane of a transmission electron microscope (TEM), the detector will record magnified projections of the inserted sample. Due to its outstanding time res-olution, the detector is well suited to record movies (scattering or shadow image se-quences) of fast processes, taking place in a specific developed specimen capsule (liq-uid cell). The sensor itself is based on the DEPFET technology, consisting of a MOSFET structure with built-in internal amplification for the charge signal. It offers an extensive charge storing capacity with a two-tier linear response: high amplification of weak signals in the first stage and a lower gain for strong signals. By this means, the detector conserves high energy resolution at low signal charge in combination with a high dynamic range. To create a homogeneous flat-field response, calibration of all detector channels is mandatory, as due to process variations the individual pixel response functions vary within a certain range. For a 1 megapixel sensor, this presents a major challenge to the selected calibration technique. Bias- and timing parameters of the readout electronics need to be adjusted and optimized to provide for an optimal signal quality. Furthermore, the readout electronics significantly affects the quality of the recorded data and must be optimized. In the scope of this thesis, suitable procedures and algorithms were developed using a prototype test system, which have to be applied to the final large sensor modules.
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Prinker, Eduard
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Prinker, Eduard (2022): Calibration & optimization procedures for an ultrafast DEPFET based electron detector (EDET). Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

HLL und MPSD entwickeln einen neuartigen Elektronen-Detektor, der mit einer bis-lang unerreichten Bildfrequenz von 80 kHz, schnell ablaufende biologische und chemi-sche Prozesse aufzeichnen wird. Maßgefertigt für die Fokalebene eines Transmissi-onselektronenmikroskops, sollen verschiedenste Proben bei unterschiedlichen Vergrö-ßerungen abgebildet und ihre Dynamik erfasst werden. Aufgrund seiner exzellenten Zeitauflösung eignet sich dieser Detektor hervorragend dazu, Filme von Streuungs- oder Schattenbildern aufzuzeichnen. Die zu beobachtenden, schnellen dynamischen Prozesse laufen in eigens dafür entwickelten Gefäßen, den „environmental cells“ ab. Der Sensor selbst basiert auf der DEPFET Technologie. Jeder Pixel besteht aus einem MOSFET mit eingebauter Verstärkung für das Ladungssignal. Abgesehen von einer hohen Ladungssammlungskapazität zeichnet sich dieser durch eine zweistufige Ver-stärkung aus: ein hoher Verstärkungsfaktor für niedrige Signalamplituden und ein redu-zierter für starke Signale. Auf diese Weise liefert der Detektor eine hohe Auflösung auch für kleine Signale bei gleichzeitiger Erhaltung eines großen dynamischen Berei-ches. Aufgrund von Prozessvariationen weichen die individuellen Pixel-Antwortsfunktionen mehr oder weniger stark voneinander ab. Für einen Detektor, bestehend aus über 1 Million Pixeln, stellt dies eine große Herausforderung für eine effiziente Pixelkalibrierung dar. Zur Erreichung der bestmöglichen Signalqualität muss auch die hohe Zahl von Bias- und Timing-Parametern für die Ausleseelektronik optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die entwickelten Algorithmen und Prozeduren zur Kalibrierung und Optimierung der Detektoren vorgestellt. Ihre Anwendung auf ein Proto-typ-Testsystem wird beschrieben, wo sie sich als effizient, effektiv und als übertragbar auf ein großes Modul erwiesen.

Abstract

A novel electron detector, with an unprecedented frame rate of 80 kHz envisages the observation of the fast dynamics occurring in chemical and biological processes. As-sembled into the focal plane of a transmission electron microscope (TEM), the detector will record magnified projections of the inserted sample. Due to its outstanding time res-olution, the detector is well suited to record movies (scattering or shadow image se-quences) of fast processes, taking place in a specific developed specimen capsule (liq-uid cell). The sensor itself is based on the DEPFET technology, consisting of a MOSFET structure with built-in internal amplification for the charge signal. It offers an extensive charge storing capacity with a two-tier linear response: high amplification of weak signals in the first stage and a lower gain for strong signals. By this means, the detector conserves high energy resolution at low signal charge in combination with a high dynamic range. To create a homogeneous flat-field response, calibration of all detector channels is mandatory, as due to process variations the individual pixel response functions vary within a certain range. For a 1 megapixel sensor, this presents a major challenge to the selected calibration technique. Bias- and timing parameters of the readout electronics need to be adjusted and optimized to provide for an optimal signal quality. Furthermore, the readout electronics significantly affects the quality of the recorded data and must be optimized. In the scope of this thesis, suitable procedures and algorithms were developed using a prototype test system, which have to be applied to the final large sensor modules.