[論文レビュー] IDeF-X HD: a CMOS ASIC for the readout of Cd(Zn)Te Detectors for space-borne applications

O. Gevin, O. Limousin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

IDeF-X HD は、宇宙用X線およびガンマ線天文観測におけるカドミウム亜鉛テルルルール（Cd(Zn)Te）ピクセル検出器の低消費電力で高分解能な読み出しを実現する32チャネルCMOS ASICです。667 keVで4.2 keV FWHMのエネルギー分解能、14 keVで562 eV FWHMを達成し、1.2 keVの検出しきい値を有しながら、200 kradまでの放射線耐性と110 MeV/(mg·cm²)までの1次エフェクトラッチアップを示さない特性を備えており、Solar Orbiterのような深宇宙ミッションに適しています。

ABSTRACT

IDeF-X HD is a 32-channel analog front-end with self-triggering capability optimized for the readout of 16 x 16 pixels CdTe or CdZnTe pixelated detectors to build low power micro gamma camera. IDeF-X HD has been designed in the standard AMS CMOS 0.35 microns process technology. Its power consumption is 800 micro watt per channel. The dynamic range of the ASIC can be extended to 1.1 MeV thanks to the in-channel adjustable gain stage. When no detector is connected to the chip and without input current, a 33 electrons rms ENC level is achieved after shaping with 10.7 micro seconds peak time. Spectroscopy measurements have been performed with CdTe Schottky detectors. We measured an energy resolution of 4.2 keV FWHM at 667 keV (137-Cs) on a mono-pixel configuration. Meanwhile, we also measured 562 eV and 666 eV FWHM at 14 keV and 60 keV respectively (241-Am) with a 256 small pixel array and a low detection threshold of 1.2 keV. Since IDeF-X HD is intended for space-borne applications in astrophysics, we evaluated its radiation tolerance and its sensitivity to single event effects. We demonstrated that the ASIC remained fully functional without significant degradation of its performances after 200 krad and that no single event latch-up was detected putting the Linear Energy Transfer threshold above 110 MeV/(mg/cm2). Good noise performance and radiation tolerance make the chip well suited for X-rays energy discrimination and high-energy resolution. The chip is space qualified and flies on board the Solar Orbiter ESA mission launched in 2020.

研究の動機と目的

• 宇宙用X線およびガンマ線イメージングに使用されるCd(Zn)Teピクセル検出器向けに、低消費電力で高分解能なアナログフロントエンドASICの開発。
• 低検出しきい値と低ノイズを実現し、天体観測に適した高エネルギー分解能分光を可能にする。
• 長期間の宇宙ミッションに耐える放射線耐性と1次エフェクトへの耐性を確保する。
• 深宇宙用途に適したコンactで低消費電力なマイクロガンマカメラへのASIC統合を支援する。

提案手法

• ASICは標準AMS CMOS 0.35 µmプロセスで製造され、並列信号処理を可能にする32の独立したアナログチャネルを備える。
• 各チャネルには、ダイナミックレンジを最大1.1 MeVまで拡張可能なチャンネル内調整可能ゲイン段が搭載されている。
• 信号対ノイズ比を最適化するため、ピーク時間10.7 µsのシェーピングアンプが使用され、33電子ボルトrmsの等価入力ノイズ電荷（ENC）を達成した。
• 各チャネルに自己トリガ機能を実装し、デッドタイムを短縮し、検出効率を向上させた。
• 放射線耐性は200 kradの照射による評価が行われ、1次エフェクトラッチアップテストは110 MeV/(mg·cm²)まで実施された。
• 分光性能は、モノピクセルおよび256ピクセルアレイ構成のCdTeショットキー検出器を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOS ASICは、宇宙用ガンマ線検出に適した低消費電力・低ノイズ条件下で、667 keVで5 keV未満のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 深宇宙環境における累積的イオン化放射線および1次エフェクトに対して、ASICの放射線耐性はどの程度か？
• RQ3 256ピクセルのCd(Zn)Teアレイにおいて、ASICは高エネルギー分解能と低検出しきい値を維持できるか？
• RQ4 チャンネル内調整可能ゲイン段は、1.1 MeVまでのダイナミックレンジ拡張にどのように寄与しているか？
• RQ5 高線形エネルギー移動（LET）条件下で、ASICの1次エフェクトラッチアップのしきい値は何か？

主な発見

• モノピクセルCdTeショットキー検出器構成を用いて、667 keVで4.2 keV FWHMのエネルギー分解能を達成した。
• 256ピクセルのCd(Zn)Teアレイを用いた場合、14 keVで562 eV FWHM、60 keVで666 eV FWHMを達成し、低エネルギー域での高分解能を実証した。
• 10.7 µsのシェーピング後、等価入力ノイズ電荷（ENC）が33電子ボルトrmsに測定され、優れた低ノイズ性能を示した。
• 200 kradのイオン化放射線被曝後もASICは完全に機能を維持し、性能に顕著な劣化は認められなかった。
• 線形エネルギー移動（LET）しきい値110 MeV/(mg·cm²)まで1次エフェクトラッチアップは観測されず、高い放射線硬度が確認された。
• ASICは宇宙用適合を取得し、2020年以降、Solar Orbiterミッションに正常に搭載・運用されている。