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

O. Gevin, O. Limousin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 20被引用 8

一句话总结

IDeF-X HD 是一款专为太空X射线和伽马射线天文观测中镉锌碲（Cd(Zn)Te）像素探测器设计的32通道CMOS ASIC，功耗低、能量分辨率高。其在667 keV能量下实现4.2 keV FWHM能量分辨率，在14 keV下实现562 eV FWHM，检测阈值为1.2 keV，同时具备高达200 krad的抗辐射能力，且在110 MeV/(mg·cm²)的单粒子锁存效应测试中无失效，适用于如太阳轨道器（Solar Orbiter）等深空任务。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于空间X射线和伽马射线成像中镉锌碲（Cd(Zn)Te）像素探测器的低功耗、高分辨率模拟前端ASIC。
• 实现低检测阈值和低噪声的高能谱分辨率光谱分析，以支持天体物理学观测。
• 确保对长期空间任务中累积电离辐射和单粒子效应的抗辐射能力和鲁棒性。
• 支持将ASIC集成到紧凑、低功耗的微伽马相机中，适用于深空应用。

提出的方法

• ASIC采用标准AMS CMOS 0.35 µm工艺制造，包含32个独立模拟通道，实现并行信号处理。
• 每个通道均配备可调增益级，将动态范围扩展至1.1 MeV。
• 采用峰值时间为10.7 µs的成形放大器，以优化信噪比，实现33电子均方根等效输入噪声电荷（ENC）。
• 每个通道均实现自触发功能，以减少死时间并提高检测效率。
• 通过200 krad辐照测试评估抗辐射能力，单粒子锁存效应测试最高达110 MeV/(mg·cm²)。
• 利用单像素和256像素阵列配置的CdTe肖特基探测器验证光谱性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMOS ASIC能否在空间伽马射线探测中实现667 keV下子5 keV的能量分辨率，同时具备低功耗和低噪声？
• RQ2 在深空环境中，ASIC在累积电离辐射和单粒子效应下的抗辐射能力如何？
• RQ3 ASIC能否在256像素的Cd(Zn)Te阵列中保持高能量分辨率和低检测阈值？
• RQ4 通道内可调增益级如何实现将动态范围扩展至1.1 MeV？
• RQ5 在高线性能量传递（LET）条件下，ASIC的单粒子锁存效应阈值是多少？

主要发现

• 在单像素CdTe肖特基探测器配置下，ASIC在667 keV能量下实现了4.2 keV FWHM能量分辨率。
• 在256像素Cd(Zn)Te阵列配置下，ASIC在14 keV下实现562 eV FWHM，在60 keV下实现666 eV FWHM，表明在低能段具有优异的能量分辨率。
• 经过10.7 µs成形后，等效输入噪声电荷（ENC）测量值为33电子均方根，表明其具有出色的低噪声性能。
• ASIC在经历200 krad电离辐射照射后仍能完全正常工作，性能无显著退化。
• 在线性能量传递（LET）阈值达110 MeV/(mg·cm²)时，未观察到单粒子锁存效应，证实其具有极高的抗辐射能力。
• ASIC已通过空间认证，并自2020年起成功搭载于太阳轨道器（Solar Orbiter）任务中。