Analog integrated CMOS Circuits for the readout and powering of highly segmented detectors in particle physics applications

Karagounis, Michael Athanassios GND

Halbleiterdetektoren sind etablierte Instrumente der Teilchenphysik, die zur Spurrekonstruktion aber auch für spektroskopische und kalorimetrische Messungen verwendet werden. Streifen- und Pixeldetektoren verfügen über eine ein- bzw. zweidimensionale Segmentierung, durch die eine entsprechende Ortsauflösung erzielt wird. Die einzelnen Sensorsegmente bestehen aus zu einander isolierten Dioden, die während des Betriebes in Sperrrichtung geschaltet und von allen freien Ladungsträgern vollständig depletiert sind. Einfallende Strahlung ionisiert Ladung im Sensormaterial, die durch das anliegende elektrische Feld an den Sensorelektroden ausgelesen werden kann. Hierzu werden hochintegrierte Mehrkanal-Auslesechips verwendet, die meist in CMOS Technologie implementiert werden. Ein typischer analoger Auslesekanal besteht aus einem ladungsempfindlichen Verstärker, einem Bandpass zur Bandbreitenbegrenzung und einem Komparator um das Ausgangssignal mit einer globalen Schwelle zu vergleichen. Digitale Logik wird verwendet, um die Anzahl der Treffer zu zählen oder die einzelnen Treffer mit einer Zeitmarke zu versehen. Mit zunehmender Anzahl der Auslesekanäle wird die Handhabung der anfallenden Datenmenge schwieriger und die Spannungsversorgung ineffizienter. Zur Implementierung von seriellen Hochgeschwindigkeitsübertragungsstecken werden die Auslesechips meist mit LVDS Sende- und Empfangsschaltungen ausgestattet. Ein Konzept für die Verbesserung der Versorgungseffizienz ist Serial Powering. Bei diesem Versorgungsschema wird eine Kette aus in Reihe geschalteter Verbraucher durch eine Konstantstromquelle versorgt. Dadurch verringert sich der Stromfluss auf den Versorgungsleitungen, was zu einer Reduzierung von Spannungsabfällen auf den Versorgungsleitung führt. Shunt-Regulatoren erzeugen eine lokale Versorgungsspannung für jeden Verbraucher. Die im Rahmen dieser Arbeit geleistete Entwicklungsarbeit, ist eingebettet in mehrere Projekte mit teilchenphysikalischem Hintergrund. Für ein Compton-Polarimeter mit hoher Präzision wurde ein Siliziumstreifendetektor Auslesechip entwickelt, um einzelne einfallende Photonen zählen zu können. Der FE-I4 Hybrid-Pixelauslesechip wurde für die anstehenden IBL und super-LHC Upgrades des am LHC installierten ATLAS Pixeldetektors entworfen. Der Chip verfügt über eine Auslesearchitektur, die die höheren Raten, die nach den Upgrades zu erwarten sind, mit nur geringen Datenverlusten verarbeiten kann. Die Chipgröße wurde bis an die Technologiegrenze skaliert, um Material und Kosten zu sparen. Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit der differentiellen Sensorauslese bei der die Signalladung gleichzeitig sowohl an der p als auch an der n Elektrode ausgelesen wird. Die differentielle Auslese führt zu einem höheren Signal-zu-Rauschabstand und ist weniger anfällig auf Übersprecheffekte.

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Karagounis, Michael: Analog integrated CMOS Circuits for the readout and powering of highly segmented detectors in particle physics applications. Hagen 2010. FernUniversität in Hagen.

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