TopMetal芯片与高精度TPC的读出

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1 TopMetal芯片与高精度TPC的读出
第四届核电子学ASIC研讨会 TopMetal芯片与高精度TPC的读出 孙向明 华中师范大学

2 摘要 TopMetal像素传感芯片 读出电子学 高精度束流测量 基于TopMetal芯片的高精度TPC

3 TopMetal像素传感芯片 顶层金属 过孔 金属层

4 TopMetal 设计 简化 TopMetal 像素读出结构 4 4

5 TopMetal 晶圆 晶圆 显微镜照片（pitch 80um） 5 bonding后的芯片

6 TopMetal 收集电荷 TopMetal in TPC-like structure Detector Material E GEM
6

7 读出电子学 转接板 晶圆 ADC 驱动板 bonding板 Daq板

8 束流上的应用

9 高精度束流测量系统 integration time：1ms beam current：1pA
电场方向 束流方向 Topmetal 芯片 integration time：1ms beam current：1pA resolution：<1um(理论值，1pA以上束流) 30微米（单粒子束流）

10 伯克利束流测试 Pinhole -HV Vacuum Window Sensor
13.5MeV proton beam from the 88-inch Cyclotron, 20E6 p/s/mm2 10

11 伯克利束流测试 测到的束流位置分辨：10um-30um （系统误差占主要部分） 测到的最小束流：20fA
For both 1mm hole, stage moved by 2mm 测到的束流位置分辨：10um-30um （系统误差占主要部分） 测到的最小束流：20fA

12 离子束治疗癌症的高精度束流测量 阴极板 TopMetal芯片 读出板 2014年底完成,将在兰州近代物理研究所测试
体积：20cm X 12cm X 2cm 量程：5cm X 5 cm 2014年底完成,将在兰州近代物理研究所测试 量程5cm，无阻挡，无辐射损伤，流强1-100nA

13 下一代TopMetal像素传感芯片 TopMetal-I和TopMetal-II-，等效电子噪声从207（TopMetal-I实测）下降到30(TopMetal-II-理论), 已交付代工厂。

14 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

15 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

16 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

17 高精度TPC面临的挑战 模式触发 上下极板同时收集电荷，一极板工作在高压区。 大规模集成 将单个芯片组装成二维平面。 无放大，低噪声
信号不能进行放大，需要读出芯片上的噪声降低到ENC小于10个电子。

18 小结 开发了TopMetal芯片 在伯克利实验室进行了束流测试 正在开发用于离子束治疗癌症的高精度束流监控
正在开发更低噪声的下一代topmetal芯片, 进行高精度TPC读出

19 谢谢