[论文解读] Recent status of FPCCD vertex detector R&D

Shunsuke Murai, A. Ishikawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用 2

一句话总结

本文介绍了国际线性对撞机（ILC）用精细像素CCD（FPCCD）顶点探测器的研发进展，重点包括中子辐射耐受性、采用气体压缩机的两相CO2冷却系统，以及梯形机械设计。在对FPCCD原型进行1.78×10¹⁰ neq/cm²中子辐照（相当于ILC运行19年）后，辐射诱导暗电流和热点像素比例略有上升，但仍在可接受范围内；电荷转移不完整性（CTI）中度上升，但仍处于可容忍范围内；两相CO2冷却系统在-40 °C至+15 °C范围内表现出稳定冷却性能。

ABSTRACT

The Fine Pixel CCD (FPCCD) is one of the candidate sensor technologies for the ILC vertex detector. It will be located near interaction point and require high radiation tolerance. It will thus be operated at -40 degree C to improve radiation tolerance. In this paper, we report on the status of neutron radiation tests, on a cooling system using two-phase CO2 with a gas compressor for circulation, and on the mechanical structure of the FPCCD ladders.

研究动机与目标

• 评估FPCCD传感器在代表ILC运行条件的中子辐照下的辐射耐受性。
• 开发并测试一种紧凑、高效的冷却系统，用于在-40 °C下运行FPCCD，以增强其辐射硬度。
• 设计一种机械坚固、低质量的梯形结构，集成双面FPCCD芯片与读出ASIC。
• 评估退火效应对辐射诱导缺陷（如暗电流、热点像素和电荷转移不完整性CTI）的影响。

提出的方法

• 在东北大学CYRIC设施使用65 MeV中子束（来自Li+p反应）进行中子辐照，辐照剂量为1.78×10¹⁰ neq/cm²，持续2小时。
• 通过在-30 °C和-40 °C下对暗电荷与曝光时间（5–60 s）进行线性拟合，测量暗电流，使用峰值位置和平均值两种方法。
• 将热点像素定义为暗电荷 > µ + 3σ（置信度80%）的像素，通过随时间跟踪其比例以评估退火效应。
• 利用5.9 keV Fe55 X射线源量化电荷转移不完整性（CTI），通过将二维信号分布拟合为f(x,y) = S(1−CTIh)x(1−CTIv)y。
• 开发了一套基于气体压缩机的两相CO2冷却系统，通过循环接近室温的CO2，利用CO2的高汽化潜热（300 J/g）实现冷却。
• 采用硅（Si）、Kapton柔性印刷电路（FPC）和碳纤维增强塑料（CFRP）设计双面梯形结构，通过真空辅助粘接技术控制热应力与翘曲。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 500 GeV条件下，FPCCD传感器在等效于ILC运行19年的中子注量下，其辐射耐受性如何？
• RQ2 辐射诱导缺陷（暗电流、热点像素、CTI）随时间如何演变？在-40 °C下是否可观测到退火效应？
• RQ3 采用气体压缩机的两相CO2冷却系统能否在最小热绝缘条件下实现-40 °C的稳定冷却，且无需外部制冷机？
• RQ4 在低质量、抗辐射的梯形结构中，集成双面FPCCD芯片与ASIC的有效机械设计策略有哪些？

主要发现

• 中子辐照后（1.78×10¹⁰ neq/cm²），暗电流有所增加，但保持在较低水平——200 ms内的暗电荷与信号电荷相比可忽略不计。
• 在-40 °C下，热点像素比例达到2.76×10⁻⁵，远低于2.8%的背景占空比和1%的阈值要求，且可观测到随时间的退火效应。
• 电荷转移不完整性（CTI）上升至水平方向3.49×10⁻⁵、垂直方向6.34×10⁻⁵，13,000次传输后最大信号损失为37%，被认为可接受。
• CTI未观察到明显退火效应，但其增加量在ILC背景条件下的可容忍范围内。
• 采用气体压缩机的两相CO2冷却系统成功实现了从-40 °C至+15 °C的稳定冷却，冷却水取自ILC大厅。
• 梯形研发仍在进行中，真空辅助粘接及通过柔性粘合剂缓解Si/CFRP界面热应力被确定为关键挑战。