[论文解读] MuPix and ATLASPix -- Architectures and Results

A. Schöning, J. K. Anders+30 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 11被引用 14

一句话总结

本论文介绍了用于Mu3e实验的MuPix和用于高亮度LHC的ATLASPix两种全单片高压CMOS有源像素传感器的设计、表征与性能评估，展示了超过98%的高效率、低噪声、亚4 ns的时间分辨率，以及高达2×10¹⁵ nₑq/cm²的辐射耐受性，其中ATLASPix3是迄今制造的最大尺寸的HV-MAPS传感器。

ABSTRACT

High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS) are based on a commercial High Voltage CMOS process and collect charge by drift inside a reversely biased diode. HV-MAPS represent a promising technology for future pixel tracking detectors. Two recent developments are presented. The MuPix has a continuous readout and is being developed for the Mu3e experiment whereas the ATLASPix is being developed for LHC applications with a triggered readout. Both variants have a fully monolithic design including state machines, clock circuitries and serial drivers. Several prototypes and design variants were characterised in the lab and in testbeam campaigns to measure efficiencies, noise, time resolution and radiation tolerance. Results from recent MuPix and ATLASPix prototypes are presented and prospects for future improvements are discussed.

研究动机与目标

• 为未来粒子物理实验开发全单片高压CMOS有源像素传感器（HV-MAPS），以提升空间与时间分辨率。
• 通过将传感器与读出电子电路单片集成，消除传统混合像素探测器中的键合线互连，解决其局限性。
• 评估HV-MAPS在质子与中子辐照下（辐照通量达2×10¹⁵ nₑq/cm²）的辐射硬化性能与稳定性。
• 实现适用于多样化应用的连续读出与触发读出架构：MuPix用于Mu3e实验的连续读出，ATLASPix用于ATLAS实验的触发运行。
• 证明HV-MAPS作为可扩展、抗辐射的解决方案，在高流强对撞机实验外层像素层中的可行性。

提出的方法

• 采用商用高压CMOS工艺（AMS AH18与TSI H18）进行HV-MAPS的设计与制造，通过深n型阱集成实现像素电子电路。
• 在MuPix8中实现连续读出（采用源极跟随器与电流驱动器结构），在ATLASPix1_Simple中实现触发读出（像素内集成比较器，外围集成逻辑）。
• 采用时间-阈值（ToT）进行电荷测量，并通过片上时间走漂校正实现亚4 ns的时间分辨率。
• 在像素内集成3位可调DAC用于阈值校准，将阈值分散降低至9.5 mV（约50个电子）。
• 对传感器进行中子辐照（最高达2×10¹⁵ nₑq/cm²）与质子辐照（最高达5×10¹⁴ nₑq/cm²），随后进行辐照后测试。
• 通过测试束实验与实验室表征，测量多个原型的探测效率、噪声、时间分辨率及辐射耐受性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全单片HV-MAPS在经历与LHC和Mu3e环境相关的高通量中子与质子辐照后，能否实现高探测效率与低噪声？
• RQ2 结合片上时间走漂校正与时间-阈值测量，HV-MAPS可实现的时间分辨率是多少？
• RQ3 与信号放大与传输方式（MuPix）相比，将比较器逻辑集成于像素单元内（ATLASPix）在噪声与性能方面表现如何？
• RQ4 采用抗辐射版图设计技术与深p型阱隔离，能在多大程度上在总电离剂量与位移损伤条件下保持传感器功能？
• RQ5 大尺寸HV-MAPS（如ATLASPix3，1.9×2.1 cm²）能否在性能与可扩展性方面维持其在未来的追踪系统中的适用性？

主要发现

• MuPix8与ATLASPix1_Simple原型在80–85 V偏置电压下，即使在中子辐照至2×10¹⁵ nₑq/cm²后，探测效率仍保持在98%以上。
• 对MuPix8与ATLASPix1_Simple测得的时间分辨率约为6 ns，经时间走漂校正后芯片内部时间分辨率约为3.7 ns。
• 通过像素内3位可调DAC，将阈值分散降低至9.5 mV（相当于约50个电子），实现了稳定的低阈值运行。
• 噪声水平随辐照通量增加而上升，但通过有效屏蔽噪声像素，使每像素每LHC束团簇的噪声率低于10⁻⁶（在40 Hz平均噪声下）。
• ATLASPix3是迄今制造的最大尺寸HV-MAPS传感器（1.9×2.1 cm²），已于2019年8月完成交付，性能预期与或优于ATLASPix1。
• MuPix10为新型原型，具备改进的 crosstalk 抑制与电压调节器，计划于2020年3月交付，且与Mu3e像素追踪器完全兼容。