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用于CEPC内层顶点探测器的高计数率CMOS像素探测器芯片研制

Aug 10, 2022, 4:10 PM
15m
Oral report 粒子物理实验技术 Parallel Session VI (5):Particle Detector Technology

Speaker

Ying ZHANG (IHEP)

Description

高能环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider, CEPC)内层顶点探测器,对于重味夸克重建与分辨至关重要。为实现高精度的物理测量,对内层顶点探测器的物质量、空间分辨率、读出速度以及功耗等方面的性能提出了极严苛的要求。CMOS像素探测器(CMOS Pixel Sensor, CPS)技术在上述各性能方面具有很大的优势,是很有前景的候选探测器技术之一。自2015年起,CEPC顶点探测器研发团队开展了一系列的CMOS像素探测器芯片研发工作。根据最新的对撞机设计方案和电子束本底的研究结果,顶点探测器内层的最高击中率预计高达 ~107/cm2/s。为满足 CEPC 顶点探测器的最高击中率需求,研发团队开展一款名为TaichuPix的CMOS 像素探测器芯片的研发。采用180 nm CMOS 工艺,目前已经完成了两个小规模原型芯片(25 mm2) 的设计和验证,均能够满足高达 36 MHz/cm2 的击中率需求。本报告将介绍像素内读出电路的设计改进,以实现 25 μm 的像素间距和 40 MHz 的快速读出频率。像素阵列的读出基于一种改进型的“列级数据传输链”的读出结构,并设计了两种不同的像素数字读出电路作为对比方案。像素按照每两列一组排列,所有双列并行读出,以尽量减少死时间。列内有优先级编码器,在列末端有时间计数器以记录信号击中像素的时间戳。当其中一个像素检测到击中时,列末端电路以 25 ns的时间分辨率存储当前时间戳。在触发模式下,击中的时间戳(时间窗口为 175 ns)与触发信号匹配的数据被存至芯片级存储器。数据可通过高速串行数据接口输出至芯片外。本报告将介绍两颗TaichuPix 原型芯片的电学测试和放射源测试,以及电离辐射前后芯片功能和噪声、阈值性能的测试结果。

Primary author

Co-authors

Jia Wang (NWPU) Jianing Dong (山东大学) Joao Guimaraes Costa Dr Liang ZHANG (Shandong University, CHINA) Raimon Casanova (IFAE) Sebastian Grinstein (IFAE) Dr Tianya WU (Institute of high energy physics(Beijing)) Mr Wei WEI (高能所) Xiaomin Wei (Northwestern Polytechnical University) Xiaoting Li (高能所) Prof. Zhijun Liang (IHEP)

Presentation materials