基于单片有源像素传感器的探测模块测试研究

硅像素探测器因具有优异的空间分辨率、极高的耐计数能力和较低的功耗等优点,近年来已被广泛应用于高能对撞机实验的顶点探测器和内径迹探测器.基于MIMOSA28芯片的硅像素探测器研究是北京谱仪Ⅲ漂移室内室的升级预研方案之一,该方案计划建造一个漂移室内室1/10规模的模型.探测模块是该模型的基本探测单元.为了对探测模块的性能进...     

Nupix-H2-单片有源像素探测器电路设计

在核物理和粒子物理实验中,单片有源像素传感器(MAPS)广泛应用于顶点和径迹探测器。为了验证强流重离子加速器装置(HIAF)上物理实验对MAPS提出的同时具备位置、时间、能量的多维度测量需求,本工作设计了一款名为Nupix-H2-的原型单片有源像素传感器。该原型芯片采用国产130 nm CMOS四阱高阻工艺,像素阵列大小为1行 × 16列,单个像素面积为22 μm × 22 μm,采用Rolling Shutter的读出方式进行扫描,按列依次输出每个像素单元的信息,扫描频率为40 MHz。每个像素中采用电荷灵敏放大器测量能量信息,16个像素通过一组计数器完成时间测量。仿真结果表明,该像素阵列的等效噪声电荷(ENC)小于30 e⁻,能量输出积分非线性(INL)最大约为5%,时间分辨率达到25 ns。     

探索粒子物理世界的高速相机——像素探测器

在日常生活中,为了捕捉一瞬间的事件,人们通常利用相机抓拍,然后根据照片来回味那一刻的精彩,使瞬间成为永恒.为了拍摄百米赛跑冲线的那一刹那,更需要利用每秒可拍摄上千张照片的高速相机来进行记录,即使是百分之一秒的时间差,都有可能导致一个新的世界纪录的诞生.     

ALICE实验内径迹系统探测器升级

大型重离子对撞实验(A Large heavy-Ion Collision Experiment,ALICE)按计划在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)的第二次停机(2019—2021)期间进行探测器升级工作.为了对强相互作用物质——夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasm...     

三维H形栅SOINMOS器件总剂量条件下的单粒子效应

本文通过数值模拟研究了H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 首先通过分析仿真程序中影响迁移率的物理模型, 发现通过修改了的由于表面散射造成迁移率退化的Lombardi模型, 仿真的SOI晶体管转移特性和实测数据非常符合. 然后使用该模型, 仿真研究了处于截止态 (V_D=5V) 的 H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 结果表明: 随着总剂量水平的增加, 器件在同等条件的重离子注入下, 产生的最大漏极电流脉冲只是稍有增大, 但是漏极收集电荷随总剂量水平大幅增加.关键词：单粒子脉冲电流漏极收集电荷总剂量效应     

用于像素探测器的高事例率高精度TDC ASIC原型电路的设计与仿真

像素探测器因其优异的位置分辨能力在高能粒子物理实验的内径探测器中有着广泛应用,随着应用场景的发展,许多物理实验要求探测器及其读出电子学也具备高精度时间测量的能力。针对像素探测器时间测量的需求,设计完成了一款具备高事例率处理能力、高精度特点的TDC(Time-to-Digital Conversion)ASIC(Application Specific Integrated Circuit)原型电路,将来可以作为核心组成部分集成到像素探测器前端读出ASIC中。采用粗细结合的方案完成TDC的设计,其中粗时间测量基于计数器实现,细时间测量采用TAC(Time-to-Amplitude Converter)结合ADC(Time-to-Amplitude Converter)的结构实现,基于130 nm工艺完成了原型电路的设计。对TDC进行仿真,仿真结果表明,该电路可以最多处理连续11个事例,相邻事例的最短时间间隔为500 ps,bin size达到了2 ps,DNL(Differential Non-Linearity)小于2.8 ps,时间测量精度好于5 ps RMS。     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

化学气相沉积金刚石薄膜探测器对α粒子的电荷收集效率

实验测量了自行研制的三明治电极结构化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜探测器在室温下对241Am, 243Am 与244Cm α粒子的能谱响应,得到了其α粒子响应电荷收集效率随偏压的变化关系;获得了不同偏压下其相对平均电荷收集效率及响应谱下降沿10%处的相对电荷收集效率。结果表明：所研制的CVD金刚石薄膜探测器性能稳定,对α粒子响应的电荷收集效率随偏压的增加而趋于饱和,对α粒子平均电荷收集效率达33.5%,谱下降沿10%处的电荷收集效率达57%。     

化学气相沉积金刚石薄膜探测器对α粒子的电荷收集效率

 实验测量了自行研制的三明治电极结构化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜探测器在室温下对241Am, 243Am 与244Cm α粒子的能谱响应,得到了其α粒子响应电荷收集效率随偏压的变化关系;获得了不同偏压下其相对平均电荷收集效率及响应谱下降沿10%处的相对电荷收集效率。结果表明：所研制的CVD金刚石薄膜探测器性能稳定,对α粒子响应的电荷收集效率随偏压的增加而趋于饱和,对α粒子平均电荷收集效率达33.5%,谱下降沿10%处的电荷收集效率达57%。     

CMOS monolithic pixel sensors research and development at LBNL

This paper summarizes the recent progress in the design and characterization of CMOS pixel sensors at LBNL. Results of lab tests, beam tests and radiation hardness tests carried out at LBNL on a test structure with pixels of various sizes are reported. The first results of the characterization of back-thinned CMOS pixel sensors are also reported, and future plans and activities are discussed.      

Charge sharing effect on 600 μm pitch pixelated CZT detector for imaging applications

We are currently investigating the spatial resolution of highly pixelated Cadmium Zinc Telluride （CZT） detector for imaging application. A 20 mm × 20 mm× 5 mm CZT substrate was fabricated with 600 μm pitch pixels （500μm anode pixels with 100 μm gap） and coplanar cathode. Charge sharing between two pixels was studied using collimated a 122 keV gamma ray source. Experiments show a resolution of 125 μm FWHM for double-pixel charge sharing events when the 600 μm pixelated and 5 mm thick CZT detector biased at -1000 V. In addition, we analyzed the energy response of the 600 μm pitch pixelated CZT detector.     

Charge sharing effect on 600 μm pitch pixelated CZT detector for imaging applications

We are currently investigating the spatial resolution of highly pixelated Cadmium Zinc Telluride(CZT)detector for imaging application. A 20 mm×20 mm×5 mm CZT substrate was fabricated with 600 μm pitch pixels(500 μm anode pixels with 100 μm gap) and coplanar cathode. Charge sharing between two pixels was studied using collimated a 122 keV gamma ray source. Experiments show a resolution of 125 μm FWHM for double-pixel charge sharing events when the 600 μm pixelated and 5 mm thick CZT detector biased at-1000V. In addition, we analyzed the energy response of the 600 μm pitch pixelated CZT detector.     

CdZnTe像素探测器的电输运性能

碲锌镉(CdZnTe)是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器材料,广泛应用于核安全、核医学以及空间科学等领域.然而,传统的CdZnTe平面探测器受制于\"空穴拖尾\"效应的影响,探测性能有待改善.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd_(0.9)Zn_(0.1)Te单晶制备出单载流子收集的4×4像素阵列探测器,通过电流-电压(I-V)测试和γ射线能谱响应测试,研究了像素探测器的电学性能和载流子电输运性能,随之与相应的CdZnTe平面探测器进行了性能对比.结果表明,CdZnTe像素探测器的电阻率约为1.73×10~(10)?·cm,且施加100 V偏压后单像素点的最大漏电流小于2.2 nA;当施加偏压升高至300 V时,单像素点对~(241)Am@59.5 keV的γ射线的最佳能量分辨率可达5.78%,探测性能优于相同条件下制备的CdZnTe平面探测器.     

Energy resolution of the CdTe‐XPAD detector: calibration and potential for Laue diffraction measurements on protein crystals

The XPAD3S‐CdTe, a CdTe photon‐counting pixel array detector, has been used to measure the energy and the intensity of the white‐beam diffraction from a lysozyme crystal. A method was developed to calibrate the detector in terms of energy, allowing incident photon energy measurement to high resolution (approximately 140 eV), opening up new possibilities in energy‐resolved X‐ray diffraction. In order to demonstrate this, Laue diffraction experiments were performed on the bending‐magnet beamline METROLOGIE at Synchrotron SOLEIL. The X‐ray energy spectra of diffracted spots were deduced from the indexed Laue patterns collected with an imaging‐plate detector and then measured with both the XPAD3S‐CdTe and the XPAD3S‐Si, a silicon photon‐counting pixel array detector. The predicted and measured energy of selected diffraction spots are in good agreement, demonstrating the reliability of the calibration method. These results open up the way to direct unit‐cell parameter determination and the measurement of high‐quality Laue data even at low resolution. Based on the success of these measurements, potential applications in X‐ray diffraction opened up by this type of technology are discussed.     

CMOS阵列响应过程中的电串扰特性研究

在利用CMOS阵列探测器成像时,探测阵列单元间的串扰将直接影响器件成像质量。为了更好地了解串扰对器件响应过程的影响,针对CMOS图像传感器的电串扰特性进行了分析,建立了电串扰数学分析模型,对电串扰的大小进行了定量计算。具体分析了不同扩散长度、感光面积、耗尽层宽度、像素尺寸和温度对电串扰的影响。分析结果表明,感光面积、耗尽层宽度与像素尺寸对电串扰的影响最大,扩散长度和温度对电串扰的影响相对较小。感光面积由3.8 m2增加到12.8 m2后,归一化的电串扰减小了约13%;像素尺寸由7 m7 m增加为15 m15 m时,电串扰增加了约95.4%;温度由100 K增加到180 K后,电串扰下降了约0.6%。     

CVD金刚石薄膜探测器性能研究

通过实验测量和理论分析, 从载流子动力学角度研究了用于脉冲辐射探测的CVD金刚石薄膜探测器的适用结构、电荷收集效率和时间响应性能. 结果表明, CVD金刚石薄膜可以制成均匀型结构的探测器; 薄膜中的缺陷会降低探测器的电荷收集效率, 探测器的电荷收集效率随场强增大而增大直至饱和. 已研制的CVD金刚石探测器电荷收集时间可达719ps, 在2.5V/μm场强下达到饱和, 电荷收集效率达60.5%; 晶格散射是影响探测器时间响应的主要因素, 选用大晶粒甚至单晶金刚石薄膜可以提高探测器时间响应.     

一种新型高能激光束能量分布探测器

介绍用于探测高能激光束空间能量分布的量热器阵列探测器。这种探测器具有承受激光束能量密度高、探测面积大和能量测试误差小等特点,主要由保护板、量热器阵列的热沉积构成。也给出了探测器的标定和性能测试。该探测器为高能激光束绝对空间能量分布的测量提供了有效的诊断手断。     

一种新型高能激光束能量分布探测器

 介绍用于探测高能激光束空间能量分布的量热器阵列探测器。这种探测器具有承受激光束能量密度高、探测面积大和能量测试误差小等特点,主要由保护板、量热器阵列的热沉积构成。也给出了探测器的标定和性能测试。该探测器为高能激光束绝对空间能量分布的测量提供了有效的诊断手断。     

4H-SiC肖特基二极管的电荷收集特性

针对极端环境下耐辐照半导体核探测器的研制需求,采用耐高温、耐辐照的4H碳化硅(4H-SiC)宽禁带材料制成肖特基二极管,研究了该探测器对241Am源粒子的电荷收集效率。从电容-电压曲线得出该二极管外延层净掺杂数密度为1.991015/cm3。从正向电流-电压曲线获得该二极管肖特基势垒高度为1.66 eV,理想因子为1.07,表明该探测器具备良好的热电子发射特性。在反向偏压高达700 V时,该二极管未击穿,其漏电流仅为21 nA,具有较高的击穿电压。在反向偏压为0~350 V范围内研究了该探测器对3.5 MeV 粒子电荷收集效率,在0 V时为48.7%,在150 V时为99.4%,表明该探测器具有良好的电荷收集特性。