Si-PIN探测器的ASIC读出技术研究

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Si-PIN探测器的ASIC读出技术研究 报告人: 雒涛 2017.12 北京

报告内容 Si-PIN探测器的ASIC读出技术研究 背景介绍 -- HXMT卫星(慧眼) Si-PIN探测器 ASIC(VA32TA6) 匹配读出 标定及在轨运行情况 下一步计划

背景介绍 HXMT卫星 ---- 慧眼 中能望远镜 探测器 Si-PIN 有效探测面积 952 cm2(1728通道) 观测能区 5-80 keV 能量分辨率 3keV @20 keV 时间分辨率 ≤270us 功耗 145W 中能望远镜

Si-PIN探测器 Si-PIN探测器

ASICs的选择 Rena-3 VA64TA2 VA32TA6 类型 RENA-3 VA64TA2 VA32TA6 通道数 32 64 动态输入范围 9fC ≤ 15fC 等效输入噪声 150e- 39e- + 10e-/pF 40e- + 12e-/pF 工作模式 模拟放大 VATA VATA + PH + ADC

匹配读出设计 VA32TA6

匹配读出设计 VA32TA6 CSA: vfp Pre_Bias “Slow” Shaper: vfs Sha_Bias “Fast” Shaper: vfsf Shaf_Bias

匹配读出设计 VA32TA6 偏置与线性度和增益的曲线关系

匹配读出设计 选定组合:Tp≈1.2μs, R2>0.999 VA32TA6 偏置与达峰时间Tp的曲线关系

VA32TA6芯片输出能谱(25mm2Si-PIN, 匹配读出设计 VA32TA6 匹配效果 VA32TA6芯片输出能谱(25mm2Si-PIN, 241Am,2.0keV@59.5keV,20℃)

标定及在轨运行情况 产品标定 标定件(最简系统) 正样产品标定 2013年 2016年 德国Panter 高低温真空罐,高能所百米束线 标定件(最简系统) 正样产品标定 2013年 2016年 德国Panter 高低温真空罐,高能所百米束线 多靶X光源,双晶体单色仪 放射源,双晶体单色仪 效率,能量分辨,线性度,温度响应 + 时间特性,有效面积,能量响应矩阵

标定及在轨运行情况 标定件 – 设备

标定及在轨运行情况 标定件 – 结果 能量分辨率 能量线性:R-square在[0.995,1]内 探测效率 温度特性 能量  能量 Peak温漂(‰) 6.5keV 1.8038 7.0keV 1.6648 7.5keV 1.7632 8.0keV 1.8874 8.5keV 1.8803 9.0keV 2.0010 9.5keV 2.1575 9.9keV 2.0995 average 1.9072 能量分辨率 能量线性:R-square在[0.995,1]内 探测效率 温度特性

标定及在轨运行情况 正样件产品

颜色深度是表示计数的大小(原始数据取对数) 标定及在轨运行情况 正样件产品 -- 标定结果 机箱1对应Am-241的576通道能谱统计 横坐标能道,纵坐标pixel, 颜色深度是表示计数的大小(原始数据取对数) 机箱1(Pixel0,ASIC0,FPGA4) 温度--能道关系图

标定及在轨运行情况 正样件产品 -- 标定结果 机箱1对应Am-241的576通道温漂统计 机箱1(Pixel0,ASIC0,FPGA4) 温度--能道关系图

标定及在轨运行情况 正样件产品 -- 标定结果 部分通道能量分辨率-入射能量特性曲线 部分通道线性度

从Ag谱线判断,地面标定的E-C曲线仍然成立 标定及在轨运行情况 在轨运行情况 除去在轨标定像素及附近像素,坏像素后,有效像素数量为1469个 从Ag谱线判断,地面标定的E-C曲线仍然成立 温漂特性仍然成立

标定及在轨运行情况 在轨运行情况 ME分系统的定点观测、巡天均表现正常 定位精度和空间分辨率均优于指标要求 地面标定的能量分辨率-温度特性仍然成立

总结 56mm2的Si-PIN探测器匹配VA32TA6芯片采集[5, 60]keV的X射线,可以得到约3keV@59.5keV的能量分辨能力。 目前应用于HXMT的中能分系统,从地面标定和在轨表现来看,性能稳定。

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