[论文解读] M.i.p. detection performances of a 100 us read-out CMOS pixel sensor with digitised outputs
该论文介绍了MIMOSA-22 CMOS像素传感器，其读出时间为100 µs，输出为数字化信号，在亚10⁻⁴误触发率下实现>99.5%的探测效率，空间分辨率<4 µm。该传感器在仅噪声增加30%的情况下实现了1.5 kGy的高辐射耐受性，验证了其架构在高流强ILC顶点探测器及未来EUDET束流望远镜中的适用性。
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.
研究动机与目标
- 为高流强ILC顶点探测器开发一种快速、抗辐射CMOS像素传感器。
- 在保持高探测效率和低噪声的前提下，实现亚100 µs的读出时间。
- 验证一种具备数字化输出和零抑制逻辑的像素架构，适用于高数据率环境。
- 评估在电离辐射作用下的性能，模拟ILC束流辐射条件。
- 实现与EUDET束流望远镜及未来ILC探测器层的集成。
提出的方法
- 利用2008年EUDET FP6项目，制造了128×576像素的CMOS传感器，像素间距为18.4 µm，帧读出时间为100 µs。
- 集成了阈值分散±4%的判别器以及用于降低数据率的零抑制逻辑（SUZE-01）。
- 采用三阶段流水线进行触发检测：字符串编码、区块合并，以及96 kbit的内存缓冲，通过LVDS输出，时钟频率为160 MHz。
- 利用CERN-SPS的120 GeV π⁻束流和⁵⁵Fe源测试传感器性能，评估信噪比和空间分辨率。
- 对传感器施加1.5 kGy的电离辐射（10 keV X射线），评估其抗辐射能力及噪声增加情况。
- 在不同判别器阈值下测量探测效率、误触发率、空间分辨率和噪声。
实验结果
研究问题
- RQ1具备100 µs读出时间的CMOS像素传感器能否在误触发率低于10⁻⁴的条件下保持>99.5%的探测效率？
- RQ2该传感器的空间分辨率是多少？能否满足ILC内层探测器3 µm的要求？
- RQ3电离辐射（最高达1.5 kGy）对传感器的噪声和探测性能有何影响？
- RQ4集成的零抑制逻辑（SUZE-01）能否在100 MHz下可靠处理高数据率而无故障？
- RQ5在束流条件下，传感器架构在整个感光区域是否保持均匀且稳定？
主要发现
- 在误触发率<10⁻⁴的条件下，探测效率>99.5%，各种像素设计的信噪比为17–21（最可能值）。
- 单点空间分辨率测量值为<4 µm，接近ILC内层探测器3 µm的要求。
- 在1.5 kGy电离辐射照射后，探测效率仍保持>99.5%，误触发率<10⁻⁴，尽管噪声增加了约30%。
- 噪声因放大电路而增加约30%，但传感器在辐射下仍保持功能正常且稳定。
- 零抑制逻辑（SUZE-01）在高达115 MHz的频率下无故障稳定运行，验证了其在高速数据处理中的设计可靠性。
- MIMOSA-22架构已成功验证，并集成至最终的MIMOSA-26传感器中，用于EUDET束流望远镜。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。