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2013(实验)第二代顶层金属结构的像素探测器芯片设计完成,第一代TopMetal1芯片应用到束流监控探测器中

2013 年度,粒子探测器与快电子学技术课题组根据研究计划设计了TopMetal2-芯片,并将已经流片并测试过的的TopMetal1芯片应用到束流监控探测器中。研究了TopMetal1芯片用于粒子物理实验以及兰州近代物理研究所微束流定位的具体情况。参与了ALICE实验内层径迹探测器升级的探测器芯片设计工作。

在XFAB350纳米工艺上,基于已经流片的TopMetal1芯片,设计了一款噪声更低,时间分辨更高的顶层金属结构的像素探测器芯片TopMetal2-,该芯片等效电子噪声预计在30个电子,时间分辨为50纳秒。芯片像素宽度83.2微米,像素阵列72X72。TopMetal2-的版图如图一所示。

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图一 topmetal2-芯片版图图二束流定位探测器


将TopMetal1芯片应用到束流监控探测器中,该探测器具有微米级的位置分辨、微安到几十飞安的动态范围和天然的抗辐射性。强子束流穿过Topmetal硅像素芯片上方的气体,使气体电离产生电子簇,电子簇在Topmetal芯片上方的电场的作用下漂移,由芯片上相应的像素收集;根据Topmetal硅像素芯片上像素的响应,得到强子束流在硅像素芯片所在平面的二维信息。结构如图二所示

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图三束流测试装置图四束流中心移动


该系统可用于质子束癌症治疗的束流定位,可以通过使强子束流依次从两套距离较近、相互垂直的二维监控装置上的硅像素芯片上方穿过,重建强子束流的三维分布。由于束流没有直接击中像素芯片,该监控系统具有抗辐射性。束流穿过几毫米的气体,对其的能量、方向影响很小,该监控系统有非拦截性。该系统在伯克利88同步加速器上进行了束流测试。证实了该系统的可行性。束流测试的装置如图三所示,在图四中可以看到束流中心移动。探测器最小可以测量到几十飞安的束流,从图五上可以看到20飞安的束流在探测器上的径迹。

研究了TopMetal1芯片用于粒子物理实验的具体情况,我们使用的准直的α源,测试到了topmetal1芯片观察单个α事件的全能量峰值。使用能量峰值作为一个确定的电荷量输入,校准topmetal芯片像素上的电容值,并测量上像素上的噪声。测量的噪声与有电容计算出来的噪声相一致。从图六上可以看到α事件的二维积分图,图七是噪声的峰和α事件的全能量峰。

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图五 20飞安的束流在探测器上的径迹

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图六 α事件的二维积分图图七噪声的峰和α事件的全能量峰


参与了ALICE实验内层径迹探测器升级的探测器芯片设计工作,前端电路的优化,从测试结果选择具有最好性能的结构,优先编码器在速度和布局的优化,周边的数字的功耗优化。pALPIDE芯片是欧洲核子中心为ALICE实验内层径迹探测器升级专门设计的探测器芯片。图八和图九分别是pALPIDE芯片的优先级读出电路和像素与优先级读出电路在一起的电路的版图。这是我们参与的pALPIDE芯片的部分设计。

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图八pALPIDE芯片的优先级读出电路图九像素与优先级读出

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