[논문 리뷰] AstroPix: Investigating the Potential of Silicon Pixel Sensors in the Future of Gamma-ray Astrophysics

Isabella Brewer, R. Caputo외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 향후 우주 기반 감마선 천체물리학 임무를 위한 단일결정질 실리콘 히스터 픽셀 센서, 특히 ATLASPix 검출기의 잠재력을 평가한다. 방사성 광자 원천을 사용한 에너지 해상도 테스트를 통해 아날로그 출력은 5.89 keV에서 7.69%의 해상도를 달성하였고, 30.1 keV에서는 7.27%를 기록하였다—이러한 성능은 보수적인 임무 요구사항을 초월하며, 컴프턴 망원경에 대한 강력한 가능성을 시사한다. 반면 디지털 출력은 열악한 해상도를 보이며, 향후 AstroPix V1과 같은 검출기의 재설계가 필요함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미래의 우주 기반 감마선 천체물리학 임무를 위한 단일결정질 실리콘 픽셀 센서의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 원자물리학을 위한 목적으로 설계된 ATLASPix 센서의 에너지 해상도 및 검출기 반응을 감마선 탐지 환경에서 평가하기 위해.
• 컴프턴 망원경을 위한 엄격한 에너지 해상도 요구사항을 충족시키기 위해 향후 검출기에서 필요한 설계 개선 사항을 규명하기 위해.
• 다음 세대 픽셀 센서인 AstroPix V1 개발의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 원자물리학용으로 설계된 단일결정질 ATLASPix 센서를 사용해 방사성 원천(예: 5.89 keV 및 30.1 keV)을 이용한 초기 광자 측정을 수행하였다.
• 개별 픽셀 및 전체 검출기의 아날로그 및 디지털 출력을 사용해 에너지 해상도를 측정하였다.
• 픽셀 크기, 깊이 및 비활성 재료가 각도 해상도와 사건 효율성에 미치는 영향을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 더 높은 다이내믹 레인지와 저전력 성능을 확보하기 위해 180 nm HV CMOS 공정을 사용해 18×18 픽셀 매트릭스로 구성된 AstroPix V1을 설계 및 제작하였다.
• 초기 특성 평가를 위해 직접 아날로그 출력 루팅 및 외부 타임오버스레시오드 디지타이저를 통한 단순화된 읽기 방식을 구현하였다.
• 컴프턴 사건 재구성 및 다양한 조건 하에서 각도 해상도와 유효 면적을 평가하기 위해 시뮬레이션 도구를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLASPix와 같은 단일결정질 실리콘 픽셀 센서가 MeV 에너지 범위의 컴프턴 망원경에서 충분한 에너지 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 감마선 탐지 환경에서 아날로그 출력과 디지털 출력의 에너지 해상도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 컴프턴 망원경에서 각도 해상도와 사건 효율성을 극대화하기 위해 최적의 픽셀 크기와 센서 두께는 무엇인가?
• RQ4 비활성 재료의 존재는 컴프턴 망원경의 픽셀 기반 트래커 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ATLASPix 센서는 우주 기반 천체물리학 임무에서 고에너지 광자 탐지에 얼마나 적합하게 변형될 수 있는가?

주요 결과

• ATLASPix의 아날로그 출력은 5.89 keV에서 7.69 ± 0.13%의 에너지 해상도를 확보하여 저에너지에서 높은 정밀도를 입증하였다.
• 30.1 keV에서는 에너지 해상도가 7.27 ± 1.18%였으며, 이는 60 keV에서 10%의 보수적인 요구사항을 초월하고 60 keV에서 <2%의 목표에 가까워지는 성능이다.
• 전체 검출기의 디지털 출력은 일관되게 100% 이상의 에너지 해상도를 기록하여, 향후 에너지 해상도 향상을 위해 재설계가 필요함을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과, 500 µm 픽셀 크기와 500 µm 실리콘 두께가 최적임을 확인하였으며, 이는 각도 해상도를 제한하지 않고 고사용 효율성을 유지한다.
• 비활성 재료가 5% 이상 존재할 경우 사건 선택 효율성이 크게 감소하며, 특히 0.1 mm 이하의 픽셀 크기에서는 에너지 임계값 제약으로 인해 효율성이 급격히 떨어진다.
• 교차 캐리지 감소를 위한 깊은 P 임플랜트를 갖춘 18×18 픽셀 매트릭스로 구성된 새로운 센서인 AstroPix V1이 제작되었으며, 현재는 향후 궤도 임무를 위한 초기 테스트를 진행 중이다.