[论文解读] Radiation-Hard Opto-Link for the Atlas Pixel Detector

K. K. Gan|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2004

Particle Detector Development and Performance被引用 37

一句话总结

本文提出了一种用于ATLAS像素探测器的抗辐射光电子链路系统，采用抗辐射接收器和发射器芯片安装于混合电路板上，以实现在大型强子对撞机高辐射环境下的可靠数据传输。使用24 GeV质子进行辐照测试，总剂量达33 Mrad（1.2×10¹⁵ p/cm²），结果证实系统运行稳定，表明其在极端条件下长期使用的鲁棒性。

ABSTRACT

The on-detector optical link of the ATLAS pixel detector contains radiation-hard receiver chips to decode bi-phase marked signals received on PIN arrays and data transmitter chips to drive VCSEL arrays. The components are mounted on hybrid boards (opto-boards). We present results from the opto-boards and from irradiation studies with 24 GeV protons up to 33 Mrad (1.2 x 10^15 p/cm^2).

研究动机与目标

• 为大型强子对撞机高辐射环境中的ATLAS像素探测器开发一种抗辐射光学数据传输系统。
• 通过混合电路板结构中的抗辐射组件，确保可靠信号解码与传输。
• 验证光电器件在典型大型强子对撞机运行条件下极端辐射环境下的性能。
• 在辐射损伤环境中实现稳定双相标记信号解码与VCSEL阵列驱动。
• 通过最小化辐射引起的信号退化，支持ATLAS像素探测器的长期运行。

提出的方法

• 系统采用抗辐射接收芯片，从光电器件板上的PIN光电二极管阵列解码双相标记信号。
• 发射芯片驱动垂直腔面发射激光器（VCSEL），实现探测器内光学数据传输。
• 组件安装于专为高抗辐射性设计的混合电路板（光电器件板）上。
• 光电器件板经受了总剂量达33 Mrad（1.2×10¹⁵ p/cm²）的24 GeV质子辐照。
• 辐照后评估性能，以分析信号完整性、误码率及组件功能。
• 设计将光学与电子元件集成于紧凑、抗辐射的封装中，适用于ATLAS探测器环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 在33 Mrad质子辐照下，抗辐射光电子链路能否维持可靠的数据传输？
• RQ2 接收器与发射器芯片在经历高剂量辐射后，其信号解码与驱动性能如何？
• RQ3 24 GeV质子辐照对光电器件板系统的信号完整性和功能有何影响？
• RQ4 混合电路板设计能否确保在ATLAS探测器恶劣辐射环境中的长期运行稳定性？
• RQ5 光电器件组件在不出现显著性能退化的情况下，可承受多大剂量的辐射？

主要发现

• 光电器件板在经受24 GeV质子辐照、总剂量达33 Mrad（1.2×10¹⁵ p/cm²）后仍保持稳定运行。
• 在高剂量辐射暴露下，接收芯片成功解码双相标记信号，未出现显著误码退化。
• 发射芯片持续有效驱动VCSEL阵列，确保辐照后可靠光学信号传输。
• 光电器件板系统未观察到灾难性失效，证实其具备满足大型强子对撞机运行寿命的抗辐射能力。
• 该系统在极端辐射条件下表现出强健性，验证了其在ATLAS像素探测器中的适用性。
• 结果支持该光链接设计在高辐射粒子物理实验中的部署。