[논문 리뷰] 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 Bianco외 18명|DORA PSI (Paul Scherrer Institute)|2013. 03. 11.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

AGIPD 검출기는 유럽 XFEL을 위해 초고속 프레임 속도(4.5 MHz)와 극한의 동적 범위(1개 펄스당 단일 광자에서 10⁴ 광자)를 처리하도록 설계되었으며, 고방사선 환경에서도 기능한다. 이는 각 픽셀에서 적응형 감도를 갖춘 하이브리드 픽셀 ASIC, 픽셀당 352장의 이미지를 저장할 수 있는 내장 아날로그 메모리, 냉각된 방사선 내성 센서를 통해 단일 펄스 X선 회절 영상 촬영을 가능하게 하여 사상적인 시간 해상도와 강도 해상도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL의 고강도 X선 환경에서 4.5 MHz 프레임 속도로 작동할 수 있는 2차원 픽셀 검출기를 개발한다.
• 1 픽셀당 펄스당 10⁴ 광자 이상의 동적 범위를 확보하며, 고감도 모드에서 단일 광자 감도를 구현한다.
• 3년간 1 GGy까지의 방사선 내성 확보를 목표로, 센서와 ASIC가 고이온화 방사선 복사량에 견딜 수 있도록 한다.
• 각 픽셀당 352장의 이미지를 내장 아날로그 메모리에 저장하여 데이터 손실 없이 전체 펄스 열을 캡처할 수 있도록 한다.
• ASIC를 -20 °C 이하로 안정화하는 열관리 시스템을 설계하여 아날로그 저장 셀의 전하 유출 현상을 최소화한다.

제안 방법

• 각 픽셀당 독립적인 감도 전환 증폭기 기능을 갖춘 애플리케이션 특화 집적회로(ASIC)를 탑재한 하이브리드 픽셀 기술을 적용하여 동적 범위 제어를 적응적으로 구현한다.
• 500 μm 두께의 p⁺-이식형 n형 실리콘 센서를 사용하며, 최적화된 가드 링과 좁은 픽셀 간격을 통해 방사선 후에도 최소 500 V 이상의 고전압 유지가 가능하도록 한다.
• 각 픽셀에 내장된 아날로그 메모리로 2700펄스 훈련 동안 최대 352장의 이미지를 저장하며, 99.4 ms의 정지 기간 동안 읽기 작업을 수행한다.
• 이중 단계 냉각 시스템을 통합: 주 냉각수(-40 °C)가 4개의 구역 냉각 블록과 보조 블록을 통해 전압 조절기 냉각을 수행하여 온도 기울기를 최소화한다.
• 저점도, 화학적으로 관성 있는 PDMS 기반 냉각수를 배치 냉각기 시스템에 사용하여 안정된 온도 유지와 구성 요소에 가해지는 열 스트레스를 감소시킨다.
• PSI에서 2×8 ASIC 어레이를 단일 실리콘 센서에 블룸 bonding하여, 옵션으로 열확산판을 장착한 저온 다이렉트 접합 세라믹(LTCC) 센서 보드에 장착한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4.5 MHz 반복 속도로 100 fs 동안 10⁴ 광자/픽셀의 X선 펄스를 처리하면서도 단일 광자 감도를 확보할 수 있는 픽셀 검출기 설계는 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 1 GGy의 이온화 방사선 복사 후에도 고전압(≥500 V)과 전기적 안정성을 유지하기 위해 센서와 ASIC 설계에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ3 공간 해상도나 동적 범위에 영향을 주지 않으면서도 각 픽셀당 352장의 이미지를 내장 아날로그 메모리에 저장할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 고전력 소모 조건에서 아날로그 저장 셀의 전하 유출 현상을 방지하기 위해 -20 °C 이하에서 안정적인 ASIC 작동을 보장하기 위한 열관리 전략은 무엇인가?
• RQ5 최적화된 픽셀 레이아웃과 가드 링 설계를 통해 실리콘 센서의 방사선 유도 손상 영향을 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 500 μm 두께와 효과적인 입사 창면적 <2.5 μm를 갖춘 AGIPD 센서는 12.4 keV에서 90% 이상의 양자 효율을 달성하여 저에너지에서 높은 감도를 확보한다.
• 열 시뮬레이션 결과 센서 전체에서 최대 온도 기울기 3.5 °C 이내이며, 주 냉각수가 -40 °C일 경우 모든 ASIC가 -22 °C 이하에서 작동함을 확인했다.
• 냉각 시스템은 진공 보드의 열원으로부터 ASIC를 효과적으로 격리하여 온도 기울기를 감소시키고 안정적인 작동을 가능하게 했다.
• 좁은 픽셀 간격과 최적화된 가드 링을 갖춘 센서 레이아웃은 1 GGy 방사선 조사 후에도 >500 V 고전압 작동이 예측되어 전기적 안정성이 확보된다.
• 테스트 칩으로 검증된 AGIPD 1.0 ASIC 설계는 방사선 내성과 유럽 XFEL에서의 전면 배치에 적합한 성능을 입증했다.
• 검출기 시스템은 2015년 콘미셔닝을 목표로 운영 가능해지며, 2016년에는 사용자 운영이 시작되어 XFEL의 엄격한 시간 및 동적 범위 요구사항을 충족할 것으로 예상된다.