Speaker
天宇 梁
(华中师范大学)
Description
Topmetal电荷传感器的工作原理是将芯片最顶层的部分金属块裸露出来，漂移到该金属块上的正或负电荷可不经过雪崩直接被收集，经后续电路处理后读出。本文介绍了一款基于Topmetal传感器研发的电荷收集芯片Topmetal-S，以及利用该芯片搭建的小型时间投影室（TPC）原型机。该芯片基于国产华虹宏力（GSMC）130 nm CMOS工艺，主要包含一个正六边形电荷收集电极、电荷灵敏前置放大器（CSA）和为CSA提供偏置的数字模拟转换器。其中，CSA的核心运放为单端折叠共源共栅结构，具有六个可调整的偏置电压。为抑制闪烁噪声，输入管采用了PMOS管并优化了尺寸。
电荷收集电极周围有一圈保护环用于聚焦。保护环与电极之间形成的保护环电容用于给CSA输入端注入周期脉冲信号。通过与已知电容构建的电桥平衡，测得的保护环电容（输入电容）值为250 fF，芯片的等效噪声电荷为110 e-。芯片输出的动态范围为0-2.557 V，对应的最大电荷数为63417 e-。在注入信号的下降时间为1.92 ms的情况下，芯片输出的上升时间约为3 ms，输出输入比可达到80倍。长时间运行的结果表明芯片输出稳定性良好，几乎不受室温变化的影响。
基于该芯片搭建的小型TPC可用于研究芯片对电荷的收集能力。测试采用的物理信号来自Am-241衰变产生的alpha，能量大约5.5 MeV。TPC的场笼长度为17 cm，上面串联十个等值电阻以确保电场均匀。芯片上方1 cm处有一个半径为3.5 mm的聚焦板。通过调整芯片输出的衰减时间，可以观测到来自Am-241 alpha的信号，证实了芯片对电荷的直接收集能力。
