[論文レビュー] Challenges for the Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) design due to the high intensity photon radiation environment at the European XFEL

Julian Becker, Laura Bianco+18 more|DORA PSI (Paul Scherrer Institute)|Mar 11, 2013

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

AGIPD検出器は、ヨーロッパXFEL向けに開発され、超高速フレームレート（4.5 MHz）と極めて広いダイナミックレンジ（1パルスあたり1光子から10⁴光子）を、高放射線環境下でも処理できる。1ピクセルあたりの適応的増幅率制御を備えたハイブリッドピクセルASIC、ピクセルごとのアナログメモリ（最大352枚の画像を記憶）、冷却および放射線耐性を備えたセンサーにより、画期的な時間分解能および強度分解能を実現する1ショットX線回折イメージングが可能となる。

ABSTRACT

The European X-ray Free Electron Laser (XFEL) is a new research facility currently under construction in Hamburg, Germany. With a pulse length of less than 100 fs and an extremely high luminosity of 27000 flashes per second the European XFEL will have a unique time structure that demands the development of new detectors tailored to the requirements imposed by the experiments while complying with the machine specific operation parameters. The Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) is one response to the need for large 2D detectors, able to cope with the 4.5 MHz frame rate, as well as with the high dynamic range needed by XFEL experiments ranging from single photons to more than 10$^4$ 12 keV photons per pixel per pulse. In addition it has to withstand doses of up to 1 GGy over three years.

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFELの高強度X線環境で4.5 MHzフレームレートで動作可能な2次元ピクセル検出器の開発。
• 1ピクセルあたり1パルスに10⁴光子を超えるダイナミックレンジを達成し、高増幅モードでの1光子感度を実現。
• 3年間で1 GGyまでの放射線耐性を確保し、センサーやASICが高エネルギー放射線被曝に耐えること。
• 1ピクセルあたり352枚の画像をオンチップアナログメモリに記憶することで、データ損失なしに完全なパルス列を捉えること。
• ASICを-20 °C以下に安定冷却することで、アナログ記憶セルの電荷ドロップを防ぐための熱管理システムの設計。

提案手法

• 各ピクセルに独立した増幅器スイッチング機能を備えたアプリケーション特化集積回路（ASIC）を搭載したハイブリッドピクセル技術を採用し、動的レンジ制御のための適応的制御を実現。
• 500 μm厚のp⁺ドープn型シリコンセンサーを採用し、最適化されたガードリングと狭いピクセルギャップを実装することで、放射線被曝後でも500 V以上を維持する高バイアス電圧を確保。
• 各ピクセルにオンチップアナログメモリを実装し、2700パルス列中に最大352枚の画像を記憶可能にし、99.4 msのアイドル期間中に読み出しを実行。
• 2段階冷却システムを導入：主冷却媒体を-40 °Cとして、クアッドラント冷却ブロックおよび2次冷却ブロックを介し、電圧レギュレータを冷却し、温度勾配を最小限に抑える。
• 低粘度で化学的に不活性なPDMSベース冷却媒体をバスタリヤー方式で使用し、安定した温度維持と部品への熱応力低減を実現。
• スイス・プロトン・インスティテュート（PSI）で2×8 ASICアレイをモノリシックシリコンセンサーにバンプボンディングし、必要に応じてヒートスプレッダーを備えた低温度焼成セラミック（LTCC）センサー基板に実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 fsのX線パルスで1ピクセルあたり最大10⁴光子を処理しつつ、4.5 MHzの繰り返しレートで1光子感度を達成できるピクセル検出器の実現方法は？
• RQ2 1 GGyの線量の放射線被曝後でも、高バイアス電圧（≥500 V）と電気的完全性を維持するためのセンサーおよびASIC設計の変更は何か？
• RQ3 空間分解能やダイナミックレンジに悪影響を与えることなく、1ピクセルあたり352枚の画像をオンチップアナログメモリに記憶する実装方法は？
• RQ4 高消費電力下でアナログ記憶セルの電荷ドロップを防ぐために、-20 °C以下の安定したASIC動作を実現する熱管理戦略は？
• RQ5 最適化されたピクセルレイアウトおよびガードリング設計により、シリコンセンサーの放射線誘発損傷効果をどのように低減できるか？

主な発見

• AGIPDセンサーは、500 μmの厚さと2.5 μm未満の有効入射窓を備え、12.4 keVで90%以上の量子効率を達成し、低エネルギー域での高感度を実現。
• 熱シミュレーションの結果、センサー全体での最大温度差は3.5 °Cであり、主冷却媒体が-40 °Cの状態で、すべてのASICが-22 °C以下で動作することが確認された。
• 冷却システムにより、真空基板上の熱源からASICが効果的に分離され、温度勾配が低減され、安定した動作が可能となった。
• 狭いピクセルギャップと最適化されたガードリングを備えたセンサー設計は、1 GGy被曝後でも500 V以上の高電圧動作を予測可能であり、電気的完全性が保証される。
• テストチップによる検証が完了したAGIPD 1.0 ASIC設計は、放射線耐性と欧州XFELでの本格的導入に適した性能を示した。
• 2015年にコンmissioning用に稼働予定であり、2016年にユーザー運用が開始され、XFELが求める厳格な時間分解能およびダイナミックレンジ要件を満たすと予想される。