[論文レビュー] AstroPix: Investigating the Potential of Silicon Pixel Sensors in the Future of Gamma-ray Astrophysics

Isabella Brewer, R. Caputo+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、将来の宇宙ベースのガンマ線宇宙物理学ミッションに向け、モノリシックシリコンピクセルセンサ、特にATLASPix検出器の可能性を評価する。放射性光子源を用いたエネルギー分解能のテストにより、アナログ出力では5.89 keVで7.69%、30.1 keVで7.27%の分解能を達成した。これは保守的なミッション要件を上回っており、コンプトン望遠鏡への応用に大きな可能性を示している。一方、デジタル出力は分解能が低く、将来的な検出器（例：AstroPix V1）の再設計の必要性を示している。

ABSTRACT

This paper details preliminary photon measurements with the monolithic silicon detector ATLASPix, a pixel detector built and optimized for the CERN experiment ATLAS. The goal of this paper is to determine the promise of pixelated silicon in future space-based gamma-ray experiments. With this goal in mind, radioactive photon sources were used to determine the energy resolution and detector response of ATLASPix; these are novel measurements for ATLASPix, a detector built for a ground-based particle accelerator. As part of this project a new iteration of monolithic Si pixels, named AstroPix, have been created based on ATLASPix, and the eventual goal is to further optimize AstroPix for gamma-ray detection by constructing a prototype Compton telescope.The energy resolution of both the digital and analog output of ATLASPix is the focus of this paper, as it is a critical metric for Compton telescopes. It was found that with the analog output of the detector, the energyresolution of a single pixel was 7.69 +/- 0.13% at 5.89 keV and 7.27 +/- 1.18% at 30.1 keV, which exceeds the conservative baseline requirements of 10% resolution at 60 keV and is an encouraging start to an optimistic goal of<2% resolution at 60 keV. The digital output of the entire detector consistently yielded energy resolutions that exceeded 100% for different sources. The analog output of the monolithic silicon pixels indicates that thisis a promising technology for future gamma-ray missions, while the analysis of the digital output points to the need for a redesign of future photon-sensitive monolithic silicon pixel detectors.

研究の動機と目的

• 将来の宇宙ベースのガンマ線ミッションに向け、モノリシックシリコンピクセルセンサの実現可能性を評価すること。
• 当初は素粒子物理学向けに設計されたATLASPixセンサのエネルギー分解能および検出器応答を、ガンマ線検出の文脈で評価すること。
• コンプトン望遠鏡の厳しいエネルギー分解能要件を満たすために、将来の検出器に必要な設計改善を同定すること。
• 次世代ピクセルセンサであるAstroPix V1の開発基盤を築くこと。

提案手法

• 放射性ソース（例：5.89 keVおよび30.1 keV）を用いて、モノリシックATLASPixセンサでの初期光子測定を実施した。
• 個々のピクセルおよび全検出器のアナログ出力とデジタル出力の両方を用いて、エネルギー分解能を測定した。
• ピクセルサイズ、深さ、被動材料の影響が角度分解能およびイベント効率に与える影響をシミュレーションで分析した。
• 動的範囲の向上と低消費電力化を目的として、180 nm HV CMOSプロセスを用いて、200 µmピクセルの18×18ピクセルマトリクスであるAstroPix V1を設計・プロトタイピングした。
• 初期評価のため、直接アナログ出力配線と外部の時間超過閾値（ToA）デジタイゼーションを組み合わせた簡素化された読み出し方式を実装した。
• シミュレーションツールを用いてコンプトンイベント再構築をモデル化し、さまざまな条件下での角度分解能および有効面積を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシックシリコンピクセルセンサ（例：ATLASPix）は、MeVエネルギー領域のコンプトン望遠鏡に十分なエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 ガンマ線検出の文脈において、アナログ出力とデジタル出力のエネルギー分解能はどのように比較されるか？
• RQ3 コンプトン望遠鏡において、角度分解能とイベント効率を最大化するために最適なピクセルサイズとセンサ厚さは何か？
• RQ4 被動材料の存在が、コンプトン望遠鏡におけるピクセルベーストラッカーの性能に与える影響は何か？
• RQ5 ATLASPixセンサは、宇宙ベースの宇宙物理学ミッションにおける高エネルギー光子検出に、どの程度適合させられるか？

主な発見

• ATLASPixのアナログ出力は、5.89 keVで7.69 ± 0.13%のエネルギー分解能を達成し、低エネルギー域での高精度を示した。
• 30.1 keVではエネルギー分解能が7.27 ± 1.18%であった。これは60 keVで10%の保守的要件を上回っており、60 keVで<2%の目標に近づいている。
• 全検出器のデジタル出力では、エネルギー分解能が常に100%以上であった。これは、エネルギー分解能を向上させるために再設計が必要であることを示している。
• シミュレーションにより、500 µmピクセルサイズおよび500 µmシリコン厚さが最適であることが判明した。これは角度分解能を制限せず、高いイベント効率を維持する。
• 被動材料が5%以上存在すると、イベント選別効率が著しく低下し、特に0.1 mm未満のピクセルサイズではエネルギー閾値制約のため、効率の急低下が見られた。
• 200 µmピクセル、18×18ピクセルマトリクス、クロストーク低減のための深くドープされたPインジェクションを備えた新しいAstroPix V1がプロトタイピングされ、将来的な軌道ミッションに向けた初期テストを進行中である。