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Monopix:高抗辐射、高速单片集成式CMOS像素探测器

Aug 9, 2022, 5:25 PM
15m
Oral report 粒子物理实验技术 Parallel Session II (5):Particle Detector Technology

Speaker

天阳 王 (张江实验室)

Description

全耗尽型单片集成CMOS像素探测器相比于传统的CMOS像素探测器能够实现更快的电荷收集,从而大幅提升探测器的时间分辨能力以及强辐射后的电荷收集效率。Monopix探测器芯片主要是面向未来强子对撞实验的强辐射环境而研发的全耗尽型单片集成CMOS像素探测器芯片,包含了LF-Monopix与TJ-Monopix两个系列,二者分别通过两种不同的技术路线实现了探测器敏感层的全耗尽,目前均已完成接近全尺寸的原型片设计制造以及主要性能指标的测试。 LF-Monopix系列芯片采用了高阻P型硅衬底(>2 kΩ.cm)的150nm商用CMOS工艺设计制造,配合高压偏置(> 300 V)可以轻易达到超过200µm的全耗尽探测敏感层。读出电路部分采用了高速读出构架,能够达到25 ns的时间分辨以及应对100MHz/cm^2以上的粒子击中率。束流测试显示该探测器芯片在经过1×10^15 neq/cm^2的辐照后仍可以实现99%的总探测效率,其中接近97%的粒子可以在25ns的时间窗内得到探测与前端电学信号处理。LF-Monopix的传感器部分已经证实在经过1×10^16 neq/cm^2的辐照后仍能维持99%的探测效率。此外,芯片在经过100Mrad的X射线辐射后电学性能没有出现明显衰减。 TJ-Monopix采用180nm商用CMOS工艺,其在传统CMOS像素工艺的基础上进行了改进,使得探测器在保持了小传感器电容(< 5fF)的基础上实现了全耗尽的探测层。小的传感器电容保证了前放电路的低功耗以及低噪声。读出电路的设计针对25ns的时间分辨进行优化设计,并且像素阵列读出采用了与LF-Monopix相同的数字构架。实验室测量得到芯片噪声水平为15 – 20 e-,阈值的不均匀性为~10 e-。束流测试表明探测效率达到~99%。

Summary

Monopix系列芯片通过传感器部分的全耗尽设计以及高速读出电路构架实现了传统CMOS像素探测器无法达到的高抗辐射与高速性能。目标抗辐射能力为1×10^15 neq/cm^2的NIEL与100Mrad的TID,同时能够以25ns的精度分辨粒子的到达时间。报告将对Monopix系列的最新进展进行介绍。

Primary author

天阳 王 (张江实验室)

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