Conveners
Session 1 (Electronics)
- 亮 张
- 微 魏
-
高, 武 (西北工业大学)24/05/2024, 08:20半导体辐射探测器读出电子学
(特邀报告)半导体辐射探测器前端读出电子学的前沿技术及发展趋势
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宣, 东薇 (中国科学技术大学)24/05/2024, 08:45
MAPS作为STCF内径迹探测器的选择方案之一，在满足位置分辨的同时，还要求具有高定时精度、低功耗以及电荷测量功能。目前正基于不同的工艺和方案开展设计中，其中在TowerJazz 180 nm工艺下，通过大尺寸传感器单元设计来减少读出电路规模，以降低数字功耗。芯片的像素单元内包含放大甄别、时间戳锁存、优先级读出等电路，外围电路功能包含击中信息的读出、校准、汇总、缓存、组帧、编码和高速串行化等。仿真结果显示，阈值电荷为309 e-，ENC为11.4 e-，芯片总功耗小于60 mW/cm²，满足设计要求。另外在GSMC130 nm工艺下，采用小尺寸传感器单元，通过对多个像素单元（超级像素）甄别器输出错位做”或”并编码的方式合并读出通道，并基于超级像素进行数据读出，从而降低数字功耗。同时，超级像素内集成500 MHz起停型VCO以大幅提高时间测量精度。仿真结果表明，阈值电荷为154...
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廖, 浩龙 (Institute of high energy physics, CAS)24/05/2024, 08:58
碲锌镉（CdZnTe）探测器能够在室温工作条件下工作、具有良好的能量分辨率，被广泛应用核安全成像相关的诸多领域。三维位置灵敏CZT探测器可以通过作用深度校正获得更高能量分辨，同时获得多个作用点的位置信息，适用于要求高能量分辨、位置分辨的康普顿散射成像，实现对放射源的定位。 报告介绍基于自研专用集成电路芯片（ASIC）的三维位置灵敏CZT探测器读出电子学系统的研制，首先对122通道测试样机的前端读出电子学、数据采集电子学和控制逻辑等部分进行介绍，并介绍系统的性能测试结果，比较不同深度灵敏技术的能量校正算法的校正结果，介绍成像实验的初步结果。还介绍了484通道CZT探测器阵列读出电子学的研究进展。
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Liu, Hongbin (中国科学院高能物理研究所)24/05/2024, 09:11
Timepix4作为Medipix4合作组推出的新一代事例型像素探测器读出芯片的代表，在多个领域有重要的应用潜力。由于其能够同时对位置、时间和能量同时进行极高精度的测量，所产生的数据量最高能达到160Gbps每芯片。针对这一挑战和一些潜在的应用场景，本报告将介绍用于高速中子成像领域的单模块和四模块Timepix4像素探测器读出电子学的研究进展，主要包括所面临的挑战、所采用的方案和一些初步的测试结果、以及未来的研究计划等。同时将介绍面向未来进行阵列化拼接时所将面临的海量实验数据这一挑战，预期进行的一些研究
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Deng, YunQi (Cental China Normal University)24/05/2024, 09:24
兰州重离子加速器是我国目前能量最高、规模最大的重离子研究装置。低温高密核物质谱仪位于装置外围，其内部包含各种探测器，其中的零角度量能器用硅光电倍增管将光信号转化为电信号。传统的读出电路很难兼顾大动态范围、高速和高精度，为了解决这个问题，本文提出了基于一阶Delta Sigma调制的自动增益调节SiPM读出电路。SiPM产生的脉冲宽度为10 ns，如果不采用慢成型电路直接对信号进行采样，至少需要500 M采样率的ADC，会消耗较大的功耗。该设计采用了前端自动增益放大电路，且将一阶DSM电路设计为类似TOT测量技术的电路, 自动增益放大器输出的能量信息在积分器中进行线性积分，能量通过比较器和一阶DAC的反馈进行线性放电，系统的输出为与输入线性相关的脉宽信息。脉宽信息由TDC进行测量，TDC采用环形游标结构。该设计在180 nm CMOS工艺完成，实现了动态范围为160 fC-160...
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刘, 楦 (高能物理研究所)24/05/2024, 09:37
高能宇宙辐射探测设施（High Energy Radiation Detection facility，HERD）是中国空间站未来重要的探测试验设施，以高灵敏度探测器检测高能伽马射线，间接搜寻暗物质。硅电荷探测器(Silicon Charge...
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胡, 坤 (SDU)24/05/2024, 09:50
我们提出了一种基于多链内插技术的FPGA-ADC设计方法。这种ADC在硬件上，只需要FPGA和一个滤波电阻。滤波电阻和FPGA的管脚寄生电容构成了RC滤波，将输出的标准时钟信号滤波成一个类三角波，其作为参考波形与输入的模拟信号作比较。近似地，比较后的数字信号宽度正比于模拟信号的采样幅度。数字信号经过FPGA-TDC进行量化，得到ADC输出码。这种ADC地采样率可以任意设置，在报告中，我们将给出了100M和200M采样下的ADC动态性能。利用FPGA丰富的资源，这种设计方法很容易根据不同的实验设置不同的采用率，比商用ADC更加灵活和节省功耗。
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除此之外，我们用两个高时间分辨的PET探测器单元，搭建了符合测量系统。利用我们所设计的FPGA-ADC对阳极输出信号进行全波形采样，得到了500 ps左右的符合时间分辨和10%左右的能量分辨率。 -
王, 佳 (西北工业大学)24/05/2024, 10:03
碲锌镉（CZT）探测器具有能量分辨率高、响应速度快、可室温下使用等优点，广泛应用于核安全防护、核素识别、核医学成像等领域。然而，空穴在碲锌镉晶体中的寿命较短，造成能谱展宽等问题。除此外，粒子在晶体中会发生康普顿效应，尤其是高能量粒子导致的康普顿时间增多，从而造成能量分辨率下降、峰康比减小等问题。可以通过一定的算法利用CZT探测器阳极和阴极的能量以及粒子感应信号到达时间来识别康普顿事件和修正测试能量值，从而能够提高探测器的能量分辨率。
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为了满足像素型CZT探测器的成像和能谱测量需求，能够同时测量入射粒子的能量和时间信息，本次报告将介绍一款128个阳极通道和2个阴极通道的前端读出ASIC芯片。要实现在单通道中同时进行能量和时间的测量，如果采用时间通道和能量通道分开的传统信号处理链路方式，将大幅增加电路面积和功耗。为了解决该问题，我们设计了一种基于峰保电路的时间检测电路，无需采用快成形器... -
赵, 瑞光 (西北工业大学)24/05/2024, 10:16
CMOS像素探测器（CPS）已经广泛应用于高能物理实验设备，包括STAR实验、ALICE实验等。CPS方案也是国际直线对撞机（International Linear Collider, ILC）顶点探测器方案的有力竞争者。在ILC中，大量来自背景束带电粒子在CPS中形成额外命中，增加了探测器系统的输出数据量。 研究团队拟通过研发集成专用人工神经网络的智能化CMOS像素探测器ASIC芯片，实现背景束粒子命中的标记和片上筛除，完成海量数据的压缩，降低探测器系统的数据量。研究团队开发了基于列级/像素级ADC架构的Clustering算法、片上Cluster特征提取算法等。考虑到六边形像素几何结构在相邻像素数目、时间分辨率等方面的优势，研究团队同步开展六边形像素几何结构的设计研究。
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Dr 陈, 刚 (中国科学院近代物理研究所)24/05/2024, 10:54
甚大面积伽马射线空间望远镜(Very Large Area gamma-ray Space Telescope, VLAST)的主要科学目标包括暗物质粒子间接探测、高能时域天文、宇宙线物理、宇宙物理学和基本物理规律检验。VLAST计划使用硅微条探测器（silicon strip detector，SSD）构建径迹及低能伽马探测器（Silicon Tracker and low Energy gamma-ray Detector，STED）来收集从高能伽马光子转换而来的电子空穴对。 一个STED阵列由8大超层组成，包括8个CsI探测层和16个硅微条探测大层，具有344064个通道。 每个硅微条通道都有约 100pF 的大等效电容。...
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张, 镇 (中国科学院高能物理研究所)24/05/2024, 11:07
高能宇宙辐射探测设施（HERD）的硅径迹仪(Silicon TracK简称STK)的主要任务是实现对高能宇宙线的高精度径迹测量以及对高能伽马射线的转换和方向测量，是实现伽马射线点源高灵敏度观测的重要探测器。STK由7大层14小层，共约12.9平方米的硅微条探测器组成，使用多片ASIC芯片读出。当前阶段正在准备开展电性件的设计与研制。
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Jia, Xining (上海科技大学)24/05/2024, 11:20
上海硬X射线自由电子激光（SHINE, Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility）是我国首台工作在硬X射线波段的自由电子激光装置。STARLIGHT(SemiconducTor Array detectoR with Large dynamIc ranGe and cHarge in Tegrating readout) 是一种针对SHINE的探测器需求研发的电荷积分型像素探测器，未来将部署在 SHINE 的多个实验站上。STARLIGHT前端模块中的读出芯片为HYLITE（High dYmamic range free electron Laser Imaging deTEctor）。该芯片将实现连续模式下12...
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王, 科 (中国科学院高能物理研究所)24/05/2024, 11:33
CPRE_1CH是为辐射探测器信号读出设计的一款通用读出芯片，是CPRE系列芯片的单通道版本。芯片包含电荷灵敏前置放大器，滤波成形电路（主放），峰值探测保持电路，适合于Si-PIN，CZT等无倍增效应的输出空穴或电子的半导体探测器。在最新一代的CPRE10_1CH_PRO芯片中，标准14mW功耗下噪声性能为80e+13e/pF。前放、成形或峰保可以单独或联合使用，输出采用了驱动能力强的AB类推挽式输出结构，可驱动片外20pF以上电容，并达到3.5V以上的动态范围。可配置极零相消和基线恢复功能提高计数率。调整偏置电流可进一步压低噪声，或降低功耗供便携式仪器使用。
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赵, 佳垚 (西北工业大学)24/05/2024, 11:46
硅光电倍增管（Silicon Photo-Multiplier，SiPM）探测器具有光子探测效率高、体积小、工作电压低、对磁场不敏感等优势，故常被应用在高能物理实验、医学成像等领域。由于SiPM探测器的增益较大（输出电流可达毫安级）且端电容较大（~300pF），故前端读出电路需要能够处理大输入信号，且输入阻抗尽可能低以获得较好的时间性能。针对这一点我们开发了基于调节型共源共栅（Regulated Gate cascode，RGC）结构的电流模式前端读出电路，实现了对输入电流的缓冲并将探测器电容与后级电路解耦，以获得较好的时间分辨率和稳定性。仿真结果表明，读出电路功耗3.5mW，低频输入阻抗可达4.5Ω，单光子时间分辨率（Single Photo Time Resolution，SPTR）约为68ps，在探测器信号幅度约为100光子时时间分辨率优于5ps。
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低增益雪崩探测器（Low... -
Mr 蒙, 振浩 (华中师范大学)24/05/2024, 11:59
在粒子探测器中，量能器主要用于探测粒子的能量信息和时间信息，为了保证能量信息能够快速、准确地被读出，系统对ADC的精度、速度提出了很高要求，同时该ADC还应具有低功耗和高线性度。本文设计了一个12位40MS/s无采样保持的Pipelined ADC，采用了运放共享技术减小功耗，比较器采用了输出端去失调技术。基于180nm工艺，芯片面积为1.24mm2。测试结果表明，在电源电压为1.8V，输入信号频率为3MHz时，ADC的SFDR为76.9dB, SNDR为59.2dB, SNR为59.5dB, ENOB约为10bit，功耗约45mW。
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Dr 张, 伟 (武汉纺织大学)24/05/2024, 12:12
正电子断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）中加入飞行时间（Time-of-Flight, TOF）可以有效提高重建图像的质量。时间数字转换器（Time-to-Digital Converter, TDC）是TOF的核心器件用于测量一对光子的飞行时间差，从而缩小图像重建范围，减小无效信息计入并改善重建图像信噪比。采用内插差分环形延迟链结构在55 nm CMOS工艺上设计实现的TDC，可以同时测量脉冲的到达时间（Time of Arrival, TOA）和过阈值时间（Time over Threshold, TOT），通过仿真证明TDC 的时间分辨率为13 ps、时间测量精度小于10 ps，功耗为 24 mW/ch。该TDC可以满足高时间分辨TOF对光子的时间测量，同时也能满足未来高能物理实验对高精度时间测量的需求。TDC ASIC将于2024年7月份流片。
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