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半导体辐射探测器读出电子学
- 承心 赵 (中科院近代物理研究所)
- 微 魏 (中国科学院高能物理研究所)
半导体辐射探测器读出电子学
- 承心 赵 (中科院近代物理研究所)
- 微 魏
介绍CPRE能量测量型系列芯片研究进展，读出种类由SiPIN/CZT扩展到SiPM，规模扩展到64/128通道及小规模面阵。噪声性能进一步优化，并增强了抗单粒子辐射能力。
可控核聚变被称为人类的终极能源。目前，以国际热核聚变实验堆（ITER）、东方超环（EAST）等为代表的磁约束托卡马克是最为成熟的聚变装置。ITER预期于2035年左右启动运行，并成为第一个在等离子体中产生净能量增益的磁约束聚变实验堆。为了实现对等离子体状态的有效监测，ITER的等离子体诊断系统需要对真空腔室外环境的中子、γ、X射线等多种粒子进行高效率探测，以保证装置的安全运行。
X射线晶体衍射仪系统（X-Ray Crystal Spectroscopy,...
低增益雪崩探测器（LGAD）由于兼具优秀的时间分辨和一定的空间分辨能力，被用于ATLAS phase-II升级中的高粒度时间探测器(HGTD)项目。为了发挥其高粒度的优势，需要通过倒装焊工艺将探测器与相同通道尺寸的前端读出芯片进行键合，通过前端读出芯片完成对探测器信号的收集、放大、甄别和时间测量。ALTIROC是由OMEGA等多家单位合作为ATLAS升级中LGAD读出设计的前端读出芯片，本报告将介绍LGAD与ALTIROC键合后的性能表现。此外，中国科大的LGAD团队也为LGAD读出研制了一款名为LATIC的原型芯片，将会介绍USTC IME sensor与LATIC的键合过程和测试结果。
高速串行传输通常搭配光纤驱动来进行大规模数据传输，在当前及下一代高能物理实验中不可或缺，而单芯片数据传输带宽会在一定程度上影响电子学系统规模。我们基于55nm工艺，针对前端抗辐照的读出电子学系统，开发了一款10 Gbps串行传输核心电路，主体包括低噪声时钟产生电路——锁相环（PLL），32路输入的并-串转换电路（MUX），和一个多级电流模逻辑（CML）驱动器。
锁相环采用电感-电容谐振核心，结合经典三阶环路架构，实现了4.74 ~ 6 GHz的时钟输出频率，实测随机抖动小于0.5 ps，1 MHz频偏相噪约-104 dBc/Hz。MUX采用全CMOS逻辑二叉树结构实现，在关键节点加入占空比校准电路确保高速时钟1:1的占空比，避免输出信号大小眼的问题。当前版本输出采用标准CML输出级，由5级前置放大器逐级驱动，但其电流较高（~38...
超级陶粲装置（STCF）是预研中的下一代正负电子对撞机，其预期质心能量在2-7GeV，峰值亮度大于$0.5×{10}^{35}{cm}^{-2}\cdot{s}^{-1}$。单片有源像素传感器（MAPS）因其高位置分辨、低物质量等优势，被作为STCF内径迹探测器的重要候选方案之一。STCF MAPS要求同时具备位置、时间和电荷测量能力，且对功耗有严苛要求。为此，研究团队分别基于国外成熟工艺和国内工艺进行了原型验证芯片设计。本报告将介绍芯片设计方案、基于180 nm CMOS工艺研制的原型芯片的初步性能测试结果、以及根据测试结果进行的优化改版设计。
束流监测系统被称为加速器的“眼睛”，在加速器束流调试与实时监测中发挥着关键作用，其通过监测束流参数来提升束流品质。采用电荷搜集型硅像素探测器芯片读出技术的气体探测器，凭借其高空间分辨率与高通量束流适应能力，在非阻拦式束流监测领域展现出显著优势。面向束流监测的应用，我们对电荷搜集型硅像素探测器芯片开展了逐步的技术探索，研制了IMPix硅像素探测器芯片。利用重离子电离空气产生电子，再利用电场驱动电子飘移到芯片上被吸收，最后由芯片读出的信息重建出径迹二维谱，由此计算径迹分辨率。通过实验验证了基于国内工艺研发的电荷搜集型硅像素探测器芯片能够测量到重离子的径迹。
当前，大型强子对撞机（LHC）的升级工程与环形正负电子对撞机（CEPC）的研发项目，对径迹探测器的性能提出了更高要求。探测器需满足高位置分辨（约10 μm）、高时间分辨（约5 ns）、低功耗密度（小于200 mW/cm²）等核心指标，同时需兼顾强抗辐照能力与低物质量设计，并适合大面积集成。基于55 nm先进工艺节点的高压CMOS单片探测器技术，为解决上述挑战提供了有效方案。本报告将从实验背景和需求出发，简要介绍已有的无源像素传感器以及前端电路的设计，并结合电气和放射源测试结果展开讨论。最后，阐述新版芯片的设计考虑以及测试准备。
The fast luminosity test for accelerator experiment is very important for the physics goal and the safety operation. The shallow carbonated LGAD designed by IHEP shows very good radiation hardness which could service from 2.5e15 neq/cm2 irradiation. Recently, the shallow carbonated IHEP-IME has been applied to the LHC ATLAS. And IHEP-LGAD is going to installed at the Belle II this year. This...
