[논문 리뷰] Characterization of a CdZnTe detector for a low-power CubeSat application

Giulio Lucchetta, M. Ackermann외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 01.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 MeVCube CubeSat 임무를 위해 저전력, 고성능의 픽셀화된 CdZnTe 검출기 시스템을 제시하며, VATA450.3 ASIC를 사용하여 채널당 0.25 mW의 전력 소비를 달성한다. 662 keV에서 3% FWHM 에너지 해상도와 2 mm 3D 공간 해상도를 입증하여, 200 keV–4 MeV 범위의 감도 있는 감마선 탐지가 가능하며, 이는 소형 위성 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

We report spectral and imaging performance of a pixelated CdZnTe detector custom designed for the \emph{MeVCube} project: a small Compton telescope on a CubeSat platform. \emph{MeVCube} is expected to cover the energy range between $200\;\mathrm{keV}$ and $4\;\mathrm{MeV}$, with performance comparable to the last generation of larger satellites. In order to achieve this goal, an energy resolution of few percent in full width at half maximum (FWHM) and a $3$-D spatial resolution of few millimeters for the individual detectors are needed. The severe power constraints present in small satellites require very low power read-out electronics for the detector. Our read-out is based on the VATA450.3 ASIC developed by \emph{Ideas}, with a power consumption of only $0.25\;\mathrm{mW/channel}$, which exhibits good performance in terms of dynamic range, noise and linearity. A $2.0\;\mathrm{cm} imes 2.0\;\mathrm{cm} imes 1.5\;\mathrm{cm}$ CdZnTe detector, with a custom $8 imes 8$ pixel anode structure read-out by a VATA450.3 ASIC, has been tested. A preliminary read-out system for the cathode, based on a discrete \emph{Amptek} A250F charge sensitive pre-amplifier and a DRS4 ASIC, has been implemented. An energy resolution around $3\%$ FWHM has been measured at a gamma energy of $662\;\mathrm{keV}$; at $200\;\mathrm{keV}$ the average energy resolution is $6.5\%$, decreasing to $\lesssim 2\%$ at energies above $1\;\mathrm{MeV}$. A $3$-D spatial resolution of $\approx 2\,\mathrm{mm}$ is achieved.

연구 동기 및 목표

• CubeSat 기반의 콤프턴 전자현미경을 위한 저전력, 고성능 CdZnTe 검출기 시스템을 개발한다.
• 200 keV–4 MeV 범위에서 몇 퍼센트 내외의 FWHM 에너지 해상도와 몇 밀리미터 내외의 3D 공간 해상도를 확보한다.
• CubeSat의 전력 제약 조건에 적합한 초저전력 읽기 전자회로(0.25 mW/채널)를 통합한다.
• 2.0 cm × 2.0 cm × 1.5 cm 크기의 CdZnTe 검출기의 스펙트럼 및 이미징 성능을 분석한다. 이 검출기는 8×8 픽셀 애노드와 분리형 케소드 읽기 방식을 사용한다.
• 우주 응용 분야에서 전하 수집 효율성과 시스템 복잡성에 미치는 영향을 고려해 스위링 그리드의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 2.0 cm × 2.0 cm × 1.5 cm 크기의 CdZnTe 검출기 표면에 2.25 mm × 2.25 mm 픽셀과 2.45 mm 피치를 가진 고유의 8×8 픽셀 애노드 구조를 사용한다.
• 채널당 전력 소비가 0.25 mW에 불과한 고역대, 저노이즈, 선형성 우수한 VATA450.3 ASIC를 애노드 읽기용으로 구현한다.
• 케소드 신호 읽기용으로 분리형 Amptek A250F 프리앰프와 DRS4 ASIC를 사용하여 깊이-상호작용 측정 기능을 구현한다.
• 케소드-픽셀 신호 비율을 이용한 깊이-상호작용 보정을 적용하여 에너지 해상도 향상을 도모한다.
• 그리드를 −50 V로 바이어스하여 스위잉 그리드 측정을 실시하고, 떠 있는 그리드 조건과의 탐지 효율성 및 스펙트럼 반응을 비교한다.
• 662 keV의 Cs-137 감마선 피크를 이용해 에너지 해상도를 측정하고, 3D 상호작용 위치 재구성을 통해 공간 해상도를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8×8 픽셀 애노드와 분리형 케소드 읽기 방식을 갖춘 CdZnTe 검출기가 저전력 조건에서 662 keV에서 3% 이하의 FWHM 에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 검출기 시스템의 3D 공간 해상도는 얼마이며, 200 keV–4 MeV 에너지 범위에서의 성능은 어떠한가?
• RQ3 −50 V 바이어스가 전하 수집 효율을 향상시키는 데 효과적이며, 과도한 시스템 복잡성을 유발하지 않는가?
• RQ4 깊이-상호작용 보정이 저에너지 및 고에너지 영역에서 에너지 해상도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 VATA450.3 ASIC가 낮은 전력 소비로도 우주 기반 감마선 탐지에 적합한 성능(노이즈, 선형성, 동적 범위)을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 662 keV에서 3% FWHM의 에너지 해상도를 확보하였으며, 1 MeV 이상의 에너지에서는 해상도가 ≲2%로 향상되었다.
• 200 keV에서는 평균 에너지 해상도가 6.5% FWHM였으며, 저에너지 영역에서 다소의 열화가 관찰되었다.
• 각 축에서 약 2 mm의 3D 공간 해상도를 확보하여 콤프턴 전자현미경 재구성 목표를 충족시켰다.
• −50 V 바이어스가 걸린 스위잉 그리드를 사용한 결과 탐지 효율에 약간의 향상이 있었지만, 추가적인 시스템 복잡성에 비해 이득이 부족하여 이를 도입할 만한 이유가 되지 못했다.
• VATA450.3 ASIC는 채널당 0.25 mW의 전력 소비로 뛰어난 성능을 보였으며, 낮은 노이즈와 전체 동적 범위에서 높은 선형성을 확보하였다.
• 피드백 폭(width) 측정을 통해 총 시스템 노이즈는 16.5 keV FWHM(355 e−에 해당)였으며, 63개의 활성 픽셀 모두에서 일관된 성능을 보였다.