论文部分内容阅读
随着核物理和粒子物理研究的不断推进,以无中微子双贝塔衰变0vββ和暗物质寻找为典型代表的低本底(低事件率、低电荷漂移速率)、低噪声实验逐渐成为高能物理领域未来的研究主流和热点。没有气体电荷雪崩增益且以气体或高压低温下的液体为媒介的时间投影室被视为低本底、低噪声实验研究的理想探测器。能够满足该应用需求且具有更高灵敏度的时间、空间及能量分辨率的低噪声、高密度、大阵列像素传感器是未来高能物理实验研究迫切需要的。本文主要研究工作是针对低本底、低噪声的电荷读出背景,研究开发出集直接电荷收集与信号处理于一体的像素传感器芯片,旨在解决无气体电荷雪崩增益的时间投影室中直接收集和测量电荷的问题。其具体研究内容和创新点体现在如下几个方面:1.提出了全新的直接电荷收集像素阵列的传感器结构:将芯片最顶层的金属层开窗成裸露的电极(Topmetal),并在其周围设计隔离的同层金属环(Guardring)结构。裸露电极用来直接收集电荷,金属环与裸露电极之间的电势差可形成聚焦电场,提高电荷收集效率。用这种传感器结构设计的Topmetal-Ⅱ-芯片进行了单个Alpha track的物理实验,结果表明:该芯片能够在室温空气环境下,直接观测到由241Am Alpha电离周围空气产生的单条电荷径迹。并且,在77 K液氮环境下也观测到芯片能直接收集电荷。2.解决了模拟读出过程中行列选择切换对电荷灵敏放大器(CSA)输出干扰的关键技术问题:模拟读出时行列选择切换会引入电荷注入导致CSA输出震荡,为此,在CSA与行列选择开关之间设计了一级源跟随电路,有效隔离了电荷注入干扰。通过优化单个像素版图寄生参数,减小了 CSA输入及反馈电容,增大了电荷转换增益,从而提高了模拟读出的信噪比。采用该技术的Topmetal-Ⅱ-芯片在室温空气环境和77 K液氮环境下的电学测试结果表明:模拟读出工作稳定,且等效电荷噪声(ENC)分别为13.9 e-和12.6 e-。3.提出了片内阈值补偿方法,提高了像素间阈值电压的一致性:在像素内部增设数模转换器(DAC),独立补偿每个像素的比较器阈值电压,减小了像素间因CSA输出噪声、比较器输出失调噪声以及工艺误差共同导致的阈值电压的离散度。Topmetal-Ⅱ-阈值扫描测试结果表明:采用该补偿后,像素阵列阈值电压基准电平的离散度减小了 7.5倍,即从35.9mV减小至4.8 mV。且在Topmetal-Ⅱ-的光学成像实验中,观察到了良好的成像效果,从而验证了数字读出通道设计的正确性。4.提出了通过可调截止频率滤波器降低CSA偏置电压噪声,从而进一步提高信噪比的方法。在Topmetal-Ⅱ-的基础上,采用此方法设计了多像素的Topmetal-Ⅱa和单点大像素的Topmetal-S芯片。Topmetal-Ⅱa和Topmetal-S在室温空气环境下的初步电学测试结果表明:Topmetal-Ⅱa模拟读出ENC相比于Topmetal-Ⅱ-减小了 1.5 e-,即从13.9 e-减小至12.4 e-;模拟读出的直流电平波动噪声减小了 22%,即从1.2 mV减小至0.936 mV;Topmetal-S模拟读出ENC为28.7e-,达到了预期的30e-以内。目前,Topmetal-Ⅱ-芯片已在兰州重离子加速器和伯克利88-inch回旋加速器上成功实现了无损伤、高位置分辨和高精度时间分辨的束流监控系统,它即将被应用于下一代癌症治疗和加速器储存环上的束流监控;噪声更低的Topmetal-Ⅱa芯片将会进一步提升该束流监控系统的性能;Topmetal-S单颗芯片的电学测试已近尾声,由127颗1 mm电极尺寸的Topmetal-S芯片拼成的“正六边形”大电极阵列正在研发中,它即将应用到Ovββ实验中。