[논문 리뷰] IDeF-X HD: a CMOS ASIC for the readout of Cd(Zn)Te Detectors for space-borne applications

O. Gevin, O. Limousin외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 03.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

IDeF-X HD는 우주 기반 X선 및 감마선 천문학에서 사용되는 Cd(Zn)Te 피크셀 검출기의 저전력·고해상도 읽기 전용 32채널 CMOS 애널로그 회로집적소자이다. 1.2 keV 감지 임계값을 갖는 동시에 667 keV에서 4.2 keV FWHM 에너지 해상도와 14 keV에서 562 eV FWHM 에너지 해상도를 달성하였으며, 누적 이온화 복사선에 대해 최대 200 krad까지 내구성을 보이며, 110 MeV/(mg·cm²)까지 단일 이벤트 락업이 발생하지 않아 태양 궤도선과 같은 태양계 외부 임무에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주 기반 X선 및 감마선 영상에 사용되는 Cd(Zn)Te 피크셀 검출기용 저전력·고해상도 아날로그 프론트엔드 애널로그 회로집적소자를 개발한다.
• 저감도 임계값과 낮은 노이즈를 갖춘 고에너지 해상도 스펙트로스코피를 가능하게 하여 천체물리 관측을 지원한다.
• 장기적인 우주 임무에서 방사선 내성 및 단일 이벤트 효과에 대한 내성을 확보한다.
• 깊은 우주 응용 분야에 적합한 소형·저전력 마이크로 감마 카메라에 애널로그 회로집적소자를 통합할 수 있도록 지원한다.

제안 방법

• 32개의 독립된 아날로그 채널을 갖춘 표준 AMS CMOS 0.35 µm 공정 기술로 제작되어 동시 신호 처리가 가능하다.
• 각 채널은 동적 범위를 최대 1.1 MeV까지 확장하기 위해 채널 내에서 조절 가능한 이득 스테이지가 탑재되어 있다.
• 신호 대 노이즈 비율을 최적화하기 위해 피크 시간 10.7 µs인 형상화 증폭기( shaping amplifier )를 사용하여, 등가 입력 노이즈 전하(ENC)가 33 전자 루트 평균 제곱으로 측정되었다.
• 각 채널에 자가 트리거 기능을 구현하여 정지 시간을 줄이고 탐지 효율을 향상시켰다.
• 방사선 내성은 200 krad 조사 시험을 통해 평가되었으며, 단일 이벤트 락업 테스트는 최대 110 MeV/(mg·cm²)까지 수행되었다.
• 일반 피크셀 및 256피크셀 어레이 구성을 갖춘 CdTe 슈롯키 검출기를 사용하여 스펙트로스코피 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 애널로그 회로집적소자가 우주 기반 감마선 탐지에 있어 저전력·저노이즈 조건에서 667 keV에서 5 keV 이하의 에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 깊은 우주 환경에서 누적 이온화 복사선과 단일 이벤트 효과에 대한 애널로그 회로집적소자의 방사선 내성은 어떠한가?
• RQ3 256피크셀 Cd(Zn)Te 어레이에서 애널로그 회로집적소자가 고에너지 해상도와 낮은 감지 임계값을 유지할 수 있는가?
• RQ4 채널 내 조절 가능한 이득 스테이지가 1.1 MeV까지 동적 범위를 확장하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 고선형 에너지 손실 조건에서 애널로그 회로집적소자의 단일 이벤트 락업 임계값은 얼마인가?

주요 결과

• 일반 피크셀 CdTe 슈롯키 검출기 구성을 사용하여 667 keV에서 4.2 keV FWHM 에너지 해상도를 달성하였다.
• 256피크셀 Cd(Zn)Te 어레이를 사용한 결과, 14 keV에서 562 eV FWHM, 60 keV에서 666 eV FWHM를 달성하여 저에너지에서 높은 에너지 해상도를 입증하였다.
• 10.7 µs 형상화 후 등가 입력 노이즈 전하(ENC)가 33 전자 루트 평균 제곱으로 측정되어 뛰어난 저노이즈 성능을 보였다.
• 200 krad의 이온화 방사선에 노출된 후에도 애널로그 회로집적소자가 완전히 기능을 유지하였으며, 성능에 심각한 열화가 없었다.
• 선형 에너지 손실(LET) 임계값 110 MeV/(mg·cm²)까지 단일 이벤트 락업이 관측되지 않아 높은 방사선 경도를 확인하였다.
• 애널로그 회로집적소자는 우주 정격을 획득하였으며, 2020년부터 태양 궤도선 임무에 성공적으로 탑재되어 운용 중이다.