Transcript TopMetal 像素读出结构 - PandaX Dark Matter Experiment

2014年高能物理学会非加速器探测器和深地物理研讨会
TopMetal像素传感芯和高精度TPC
孙向明
华中师范大学
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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
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TopMetal像素传感芯片
顶层金属
过孔
金属层
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TopMetal 设计
TopMetal 像素读出结构
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TopMetal 晶圆
晶圆
显微镜照片
（pitch 80um）
bonding后的芯片
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TopMetal 收集电荷
TopMetal in TPC-like structure
Detector Material
E
可不用GEM放大，
GEM
直接收集电子或者
离子
TopMetal
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读出电子学
转接板
晶圆
ADC
bonding板
Daq板
驱动板
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束流上的应用
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高精度束流测量系统
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）
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伯克利束流测试
Pinhole
Vacuum Window
-HV
Sensor
13.5MeV proton beam from the 88-inch Cyclotron, 20E6 p/s/mm2
10
10
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
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离子束治疗癌症的高精度束流测量
阴极板
TopMetal芯片
读出板
体积：20cm X 12cm X 2cm
量程：5cm X 5 cm
量程5cm，无阻挡，无辐射损
伤，流强1-100nA
2014年底完成,将在兰
州近代物理研究所测试
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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
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工厂。
康普顿相机
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SMILE, ETCC,
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高精度探测原理
入射粒子
反应点
对于低能的带点粒子，只有
初始部分的径迹带有方向信
息。
次级带电粒子
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
Double beta decay
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高精度TPC：离子漂移
Gas mix CS2 Pressure
15cm drift (torr)
E（KV/m）
Transverse
diffusion(mm
r.m.s.)
Ar
47
0.12
40
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。
Ar
40
35.3
0.21
Ar
40
23.5
0.38
离子漂移速度约100m/s，约电
子漂移速度约10000m/s
Xe
40
47
0.13
离子漂移时间长
http://ac.els-cdn.com/S0168900299009559/1-s2.0S0168900299009559-main.pdf?_tid=09da50ee-4ef8-11e4-b447Xe
16.5
23.5
0.33
00000aacb361&acdnat=1412778975_84120b13e1209b0e7c4e0ba0
8bf3f60e
扩散半径100um-400um（漂移
距离15cm）
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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
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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
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低能太阳中微子能谱
液态氙
能量在0.42MeV以下的中微子占
总数的 98.5%,能谱近期才开始能
被测量到 (Broxino)。
TopMetal芯片
光电倍增管
能谱的测量有助于了解太阳内部
过程和约束太阳模型。
S. Turck-Chi` eze et al., Rept. on Prog. in Phys. (2010) arXiv: 1009.0852v1[astro- ph.SR] 4 Sep 2010.
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Dark Matter detection
XENON1T
http://www.hep.shef.ac.uk/research/dm/drift.php
The game is to separate signal from background: directionality is a good parameter.
The question is how to utilize it well at low energies.
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20
double beta decay
double beta decay具有
同时衰变出两个电子
的特点。
通过重建几何径迹，
能够提高double beta
decay的置信度，压低
本底
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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。
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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,进一
步降低噪声后的芯片测
量大家感兴趣的物理量
合作：梅元，美国劳
伦斯伯克利国家实验
室
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谢谢
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