[논문 리뷰] M.i.p. detection performances of a 100 us read-out CMOS pixel sensor with digitised outputs

M. Winter, J. Baudot외 15명|ArXiv.org|2009. 02. 16.

Particle Detector Development and Performance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 100 µs 읽기 시간과 디지털 출력을 갖춘 MIMOSA-22 CMOS 픽셀 센서를 제시하며, 10⁻⁴ 이하의 가짜 히트 비율에서 99.5% 초과의 탐지 효율성과 4 µm 이하의 공간 해상도를 입증한다. 센서는 1.5 kGy의 높은 방사선 내성(1.5 kGy)을 확보하면서 소음 증가가 30%에 불과하여, 고속 ILC 버텍스 검출기 및 향후 EUDET 빔 텔레스코프에 응용 가능한 아키텍처를 검증한다.

ABSTRACT

Swift, high resolution CMOS pixel sensors are being developed for the ILC vertex detector, aiming to allow approaching the interaction point very closely. A major issue is the time resolution of the sensors needed to deal with the high occupancy generated by the beam related background. A 128x576 pixel sensor providing digitised outputs at a read-out time of 92.5 us, was fabricated in 2008 within the EU project EUDET, and tested with charged particles at the CERN-SPS. Its prominent performances in terms of noise, detection efficiency versus fake hit rate, spatial resolution and radiation tolerance are overviewed. They validate the sensor architecture.

연구 동기 및 목표

• 고속이며 방사선 내성 있는 CMOS 픽셀 센서를 개발하여 고속 ILC 버텍스 검출기에 적용한다.
• 100 µs 이내의 읽기 시간을 확보하면서도 높은 탐지 효율성과 낮은 소음을 유지한다.
• 고속 데이터 환경에 적합한 디지털 출력과 제로-서프레션 논리 구조를 통합한 픽셀 아키텍처를 검증한다.
• 이온화 방사선에 의한 영향을 평가하여 ILC 빔스트랄룽 조건을 시뮬레이션한다.
• EUDET 빔 텔레스코프에 통합 가능하게 한다.

제안 방법

• 2008년 EUDET FP6 프로젝트를 활용해 18.4 µm 피치, 128×576 픽셀의 CMOS 센서를 제작하고, 100 µs 프레임 읽기 시간을 확보한다.
• ±4%의 임계치 분산을 갖는 디크리미네이터와 데이터율 감소를 위한 제로-서프레션 논리(SUZE-01)를 통합한다.
• 히트 탐지용 3단계 파이프라인을 구현: 스트링 인코딩, 뱅크 병합, 96 kbit 메모리 버퍼링 및 160 MHz에서 LVDS 출력.
• CERN-SPS에서 120 GeV π⁻ 빔과 ⁵⁵Fe 원천을 이용해 신호 대 잡음비 및 공간 해상도 평가.
• 10 keV X선을 이용해 1.5 kGy의 이온화 방사선에 노출시켜 방사선 내성 및 소음 증가 평가.
• 다양한 디크리미네이터 임계치에서 탐지 효율성, 가짜 히트 비율, 공간 해상도, 소음 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 µs 읽기 시간을 갖는 CMOS 픽셀 센서가 10⁻⁴ 이하의 가짜 히트 비율에서 99.5% 초과의 탐지 효율성을 유지를 할 수 있는가?
• RQ2 센서의 공간 해상도는 얼마이며, ILC 내부 레이어의 3 µm 요구사항을 충족할 수 있는가?
• RQ3 이온화 방사선(최대 1.5 kGy)이 센서의 소음 및 탐지 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 통합된 제로-서프레션 논리(SUZE-01)가 100 MHz에서 고장 없이 고속 데이터 처리를 수행할 수 있는가?
• RQ5 빔 조건 하에서 전체 감지 영역에서 센서 아키텍처가 균일하고 안정적인가?

주요 결과

• 다양한 픽셀 설계에서 가장 가능성이 높은 경우의 신호 대 잡음비가 17–21이었고, 가짜 히트 비율이 10⁻⁴ 이하에서 탐지 효율성이 >99.5%를 달성하였다.
• 단일점 공간 해상도는 <4 µm로 측정되어 ILC 내부 레이어의 3 µm 요구사항에 가까워졌다.
• 1.5 kGy의 이온화 방사선에 노출된 후에도 탐지 효율성은 >99.5% 유지되었고, 가짜 히트 비율은 10⁻⁴ 이하였다. 소음은 약 30% 증가했지만 성능은 유지되었다.
• 증폭 회로의 영향으로 소음은 약 30% 증가했지만, 방사선 하에서도 센서는 기능하고 안정성을 유지하였다.
• 제로-서프레션 논리(SUZE-01)는 115 MHz까지 고장 없이 안정적으로 작동하여 고속 데이터 처리에 적합함을 검증하였다.
• MIMOSA-22 아키텍처는 성공적으로 검증되었고, EUDET 빔 텔레스코프용 최종 MIMOSA-26 센서에 통합되었다.