[论文解读] AstroPix: Investigating the Potential of Silicon Pixel Sensors in the Future of Gamma-ray Astrophysics

Isabella Brewer, R. Caputo+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文评估了单片硅像素传感器（特别是ATLASPix探测器）在未来的空间伽马射线天体物理学任务中的潜力。通过使用放射性光子源测试其能量分辨率，研究发现模拟输出在5.89 keV时达到7.69%的分辨率，在30.1 keV时达到7.27%，优于保守任务要求，表明其在康普顿望远镜中具有巨大潜力。然而，数字输出的分辨率表现较差，凸显了未来探测器（如AstroPix V1）需要重新设计。

ABSTRACT

This paper details preliminary photon measurements with the monolithic silicon detector ATLASPix, a pixel detector built and optimized for the CERN experiment ATLAS. The goal of this paper is to determine the promise of pixelated silicon in future space-based gamma-ray experiments. With this goal in mind, radioactive photon sources were used to determine the energy resolution and detector response of ATLASPix; these are novel measurements for ATLASPix, a detector built for a ground-based particle accelerator. As part of this project a new iteration of monolithic Si pixels, named AstroPix, have been created based on ATLASPix, and the eventual goal is to further optimize AstroPix for gamma-ray detection by constructing a prototype Compton telescope.The energy resolution of both the digital and analog output of ATLASPix is the focus of this paper, as it is a critical metric for Compton telescopes. It was found that with the analog output of the detector, the energyresolution of a single pixel was 7.69 +/- 0.13% at 5.89 keV and 7.27 +/- 1.18% at 30.1 keV, which exceeds the conservative baseline requirements of 10% resolution at 60 keV and is an encouraging start to an optimistic goal of<2% resolution at 60 keV. The digital output of the entire detector consistently yielded energy resolutions that exceeded 100% for different sources. The analog output of the monolithic silicon pixels indicates that thisis a promising technology for future gamma-ray missions, while the analysis of the digital output points to the need for a redesign of future photon-sensitive monolithic silicon pixel detectors.

研究动机与目标

• 评估单片硅像素传感器在未来的空间伽马射线任务中应用的可行性。
• 评估原本为粒子物理设计的ATLASPix传感器在伽马射线探测背景下的能量分辨率和探测器响应。
• 识别未来探测器为满足康普顿望远镜严格能量分辨率要求所需的设计改进。
• 为开发新一代像素传感器AstroPix V1奠定基础，该传感器专为高能光子探测优化。

提出的方法

• 使用放射性源（如5.89 keV和30.1 keV）对单片ATLASPix传感器进行了初步光子测量。
• 通过单个像素和整个探测器的模拟与数字输出测量能量分辨率。
• 通过模拟研究像素尺寸、深度和非活性材料对角分辨率和事件效率的影响。
• 设计并制造了AstroPix V1，一个18×18像素阵列，像素尺寸为200 µm，采用180 nm高压CMOS工艺，以提升动态范围并降低功耗。
• 采用简化的读出方案，直接将模拟输出引出，并通过外部时间积分阈值数字化进行初步表征。
• 使用仿真工具模拟康普顿事件重建，评估在各种条件下的角分辨率和有效面积。

实验结果

研究问题

• RQ1 单片硅像素传感器（如ATLASPix）是否能在MeV能量范围内实现康普顿望远镜所需的足够能量分辨率？
• RQ2 在伽马射线探测背景下，模拟输出与数字输出的能量分辨率表现如何比较？
• RQ3 为最大化康普顿望远镜的角分辨率和事件效率，最优的像素尺寸和传感器厚度是多少？
• RQ4 非活性材料的存在如何影响基于像素的追踪器在康普顿望远镜中的性能？
• RQ5 ATLASPix传感器在多大程度上可被改造以适用于空间天体物理学任务中的高能光子探测？

主要发现

• ATLASPix的模拟输出在5.89 keV能量下实现了7.69 ± 0.13%的能量分辨率，表明其在低能区具有高精度。
• 在30.1 keV能量下，能量分辨率为7.27 ± 1.18%，优于60 keV时10%的保守要求，并接近60 keV时<2%的目标。
• 整个探测器的数字输出能量分辨率始终高于100%，表明需要重新设计以提升能量分辨率。
• 模拟结果表明，500 µm像素尺寸和500 µm硅厚度为最优，因其不会限制角分辨率并能保持高事件效率。
• 非活性材料的存在，尤其是超过5%时，会显著降低事件选择效率，且在像素尺寸低于0.1 mm时，由于能量阈值限制，效率出现明显下降。
• 已制造出AstroPix V1，一种新型18×18像素阵列，像素尺寸为200 µm，并采用深P离子注入以减少串扰，目前正进行初步测试，以支持未来轨道任务。