Methods for the system calibration of the DSSC detector for the European XFEL

Abstract

The DSSC (DEPFET Sensor with Signal Compression) is a silicon based, 2d imaging detector for the European X-ray Free Electron Laser facility (European XFEL) in Hamburg and Schenefeld, Germany. The megapixel camera is foreseen for soft X-radiation from 0.5 keV up to 6 keV. Driven by the scientific requirements of the planned experiments, the design goals of the detector system are single photon detection, high dynamic range and a high frame rate of up to 4.5 MHz. Signal compression and amplification will be performed at the analog signal stage either in the silicon sensor pixels or in the read-out ASIC, yielding a low signal noise. Utilizing an in-pixel active filtering stage and an 8/9-bit ADC, the detector will provide parallel read-out of all pixels. Due to inhomogeneities in the chip production and in the biasing of the large format detector chips, each of the one million pixels will have to be calibrated individually. This work presents an overview over the building blocks of the detector system and an introduction to the proposed calibration strategy. It proposes and compares several methods for the detector gain and offset calibration and the characterization of the system noise and evaluates their performance on datasets comparable to data expected from the full-format camera, that will be available in autumn 2018. The experimental part focusses on the adaption of the proposed methods on data measured with DSSC prototypes. A successful cross check of the calibration strategy using different calibration energies is presented.

Der DSSC (DEPFET Sensor mit Signalkompression) ist ein auf Silizium basierender, bildgeben- der 2d-Detektor für den Europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser (European XFEL). Die Megapixel-Kamera soll im Bereich weicher Röntgenstrahlung von 0.5 keV bis 6 keV eingesetzt werden. Die wissenschaftlichen Anforderungen der geplanten Experimente bedingen folgende Design-Ziele: Einzelphotonenauflösung, ein hoher dynamischer Bereich und eine hohe Bildwieder- holrate von 4.5 MHz. Signalkompression und -verstärkung werden entweder innerhalb des Sensors selbst oder des Auslese-ASICs realisiert, was ein niedriges Signalrauschen ermöglicht. Der Detektor ist in jedem Pixel mit einem aktiven Signalfilter sowie einem 8/9-bit ADC ausgestattet und bietet die Möglichkeit, alle Pixel parallel auszulesen. Aufgrund von Ungleichmäßigkeiten bei der Chipfertigung und der Stromversorgung der großformatigen Detektorchips muss jedes einzelne der 1 Mio Pixel individuell kalibriert werden. Diese Arbeit gibt eine Übersicht über die einzelnen Bausteine des Detektorsystems und eine Einführung in die vorgeschlagene Kalibrationsstrategie. Verschiedene Methoden für die Kalibration der Verstärkung und des Offsets sowie die Charakterisierung des Systemrauschens werden vorgeschlagen und ihre Leistung anhand von Datensätzen analysiert, die vergleichbar mit denen sind, die von der ab Herbst 2018 verfügbaren Vollformat-Kamera erwartet werden. Der experimentelle Teil der Arbeit legt den Fokus auf die Anwendung der vorgeschlagenen Methoden auf Datensätze, die mit DSSC Prototypen gemessen wurden. Ein erfolgreicher Cross-Check der Kalibrationsstrategie mittels verschiedener Kalibrationsenergien wird präsentiert.