Spacepix3
Ein Pixel-Sensor für Strahlungsüberwachung und Dosimetrie.
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Motivation Der SpacePix3 monolithische aktive Pixelsensor, gefertigt in 180nm Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS-Technologie, ist ein neuartiger ASIC für die Weltraumstrahlungsüberwachung und wurde von der Tschechischen Technischen Universität in Prag entwickelt. SpacePix3 ist ein Hochspannungs-Monolithischer Aktiver Pixelsensor (HV-MAPS) mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der in der Lage ist, den Fluss und die im Pixel deponierte Energie zu messen und zwischen verschiedenen Strahlungsarten zu unterscheiden. Der Hauptzweck des Detektors ist die Überwachung der Strahlung im Weltraum, da es wichtig ist, über Weltraumwetter informiert zu sein, das von der Sonnenaktivität beeinflusst wird und eine Gefahr für die Gesundheit von Menschen, die Weltrauminfrastruktur und terrestrische Energiesysteme darstellt. Darüber hinaus kann der Detektor für die Dosimetrie und Strahlungsvisualisierung eingesetzt werden, was ihn zu einem Teilchennachweiser oder einer Strahlungskamera macht. Daher kann er in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt werden, wie z.B. zur medizinischen Strahlungsüberwachung, und kann auch modifiziert werden, um eine Neutronendetektionsempfindlichkeit zu erreichen. |
The functional block diagram of the SpacePix3 ASIC. |
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Funktionalität Der Detektor ist in der Lage, Protonen, Elektronen und schwere Ionen zu erkennen und zu unterscheiden. Seine aktive Sensorfläche beträgt 3,84 × 3,84 mm², die Pixelmatrix ist in einem 64x64-Quadratarray mit einem Pitch von 60 μm angeordnet, was eine räumliche Auflösung ermöglicht. Der Signalbereich des Pixel-Front-End-Verstärkers liegt bei 1-80 ke- und wird über einen Rückseitenkanal auf bis zu 30 Me- erweitert. In jede Pixel sind in den Trägerwafer integrierte Dioden eingebettet, die bei -150 V vorgespannt sind und eine etwa 35 μm tiefe Verarmungsschicht erzeugen. Ein auftreffendes Teilchen erzeugt einen Ladungspuls, der von dem ladungsempfindlichen Verstärker in einen Spannungspuls umgewandelt wird. Die maximale Spannung, die von der Peak-Detector-Halte-Schaltung gespeichert wird, wird mittels eines auf dem Chip befindlichen 10-Bit asynchronen Säulen-SAR-ADCs digitalisiert. Es stehen zwei Lese-Schnittstellen zur Verfügung, 400 MHz LVDS und 50 MHz SPI. Der Gesamtstromverbrauch beträgt 31 mA bei einer 1,8 V Versorgung in SPI-Modus. Projekt Ziele Der Spacepix3-ASIC wird für die Strahlungsüberwachung bei zukünftigen Weltraummissionen, in medizinischen Strahlungseinrichtungen und im Labor eingesetzt werden. Darüber hinaus wird ein Dosimeterkonzept entwickelt und eine neue räumlich aufgelöste Gamma-Kamera getestet. Es ist auch geplant, die Technologie mit anderen bestehenden Inhouse-Detektorkonzepten zu kombinieren, um neue Konzepte zu entwickeln.
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