TopMetal and Its Applications

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1 TopMetal and Its Applications
China-Japan Mini Workshop on SOIPIX TopMetal and Its Applications Xiangming Sun Central China Normal University

2 outline TopMetal sensor readout electronics beam monitor
high precision TPC

3 TopMetal sensor top metal via metal

4 TopMetal design 简化 TopMetal pixel structure 4 4

5 TopMetal wafer wafer microscope（pitch 80um） 5 chip after bonding

6 TopMetal charge collection
TopMetal in TPC-like structure Detector Material GEM TopMetal E not necessary, if signal is big enough 6

7 readout electronics adaptor wafer ADC driver board bonding board Daq

8 application in beam monitor

9 beam monitor in air integration time：1ms beam current：1pA
E field beam direction Topmetal chip integration time：1ms beam current：1pA resolution：<1um(in theory，1pA current) 30um（single particle）

10 test with beam Pinhole -HV Vacuum Window Sensor
13.5MeV proton beam from the 88-inch Cyclotron, 20E6 p/s/mm2 10

11 test with beam position resolution：10um-30um （mainly systematic error）
For both 1mm hole, stage moved by 2mm position resolution：10um-30um （mainly systematic error） beam current：20fA

12 beam monitor for hadron therapy
anode board TopMetal chip readout board volume：20cm X 12cm X 2cm active range：5cm X 5 cm no material; no radiation damage

13 next generationTopMetal chip
TopMetal-I and TopMetal-II-，ENC 207e（TopMetal-I）to 13.9e (TopMetal-II-)。

14 compton camera 14 SMILE, ETCC, arXiv:

15 solar neutrino LXe solar neutrino E<0.42MeV is hard to measure (Broxino)。 to constrain theory TopMetal芯片 PMT S. Turck-Chi` eze et al., Rept. on Prog. in Phys. (2010) arXiv: v1[astro- ph.SR] 4 Sep 2010.

16 double beta decay double beta decay has geometric feather
measure track to surpress noise

17 double beta decay 30cm track 0.5cm pixel TM1 noise 1.6K ENC
no amplification; 30cm track 0.5cm pixel TM1 noise 1.6K ENC TM2-noise 0.2K ENC

18 challenge make a 2D plane low noise; goal to 10 ENC

19 summary develop TopMetal chip of low noise beam test at LBL
developing prototype for hadron therapy next generation for low noise

20 谢谢 Thanks

21 高精度TPC：模式触发 阳极板 电子 正离子 阴极板 电子首先到达阳极板，在低分辨率的TPC读出板上读出感应信号
在阳极板有信号区域对应的阴极板上，等待离子漂移到达

22 高精度探测原理 对于低能的带点粒子，只有初始部分的径迹带有方向信息。 作为次级粒子的带电粒子和入射粒子的方向存在关联
从带点粒子的径迹中提取方向信息。 提高空间分辨能力 反应点 次级带电粒子 Double beta decay

23 高精度TPC：离子漂移 TPC的空间分辨能力由漂移中的扩散决定。 扩散越小，能分辨的的径迹就越小。 离子漂移时和周围环境温度接近，扩散较小。
Gas mix CS2 15cm drift Pressure (torr) E（KV/m） Transverse diffusion(mm r.m.s.) Ar 40 47 0.12 35.3 0.21 23.5 0.38 Xe 0.13 16.5 0.33 TPC的空间分辨能力由漂移中的扩散决定。 扩散越小，能分辨的的径迹就越小。 离子漂移时和周围环境温度接近，扩散较小。 扩散半径100um-400um（漂移距离15cm） 离子漂移速度约100m/s，约电子漂移速度约10000m/s 离子漂移时间长

24 需要高空间分辨TPC的物理问题 低能太阳中微子 暗物质测量 活靶 double beta decay