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阪大 ASIC(MD01) 放射 線 試験 結果

阪大 ASIC(MD01) 放射 線 試験 結果. 2008/2/18 中嶋　大、松浦　 大介 、常深　博 ( 阪大 ) 、 高島　健、三谷　烈史 (ISAS/JAXA) 、 北村　尚 ( 放医研 ) 、 SXI PI チーム. 阪 大 ASIC の放射線耐性. 打ち上げ初期の異常動作はないか ? MD01 への プロトン照射は初めて 耐性限界 : 軌道上で何年耐えうるか ? どのよう な性能変化が起こるか ラッチアップ、ショートなどは起こらないか.

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阪大 ASIC(MD01) 放射 線 試験 結果

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  1. 阪大ASIC(MD01)放射線試験結果 2008/2/18中嶋　大、松浦　大介、常深　博(阪大)、高島　健、三谷　烈史(ISAS/JAXA)、北村　尚(放医研)、SXI PIチーム

  2. 阪大ASICの放射線耐性 • 打ち上げ初期の異常動作はないか? • MD01へのプロトン照射は初めて • 耐性限界:軌道上で何年耐えうるか? • どのような性能変化が起こるか • ラッチアップ、ショートなどは起こらないか 放射線医学総合研究所(NIRS)重粒子線がん治療装置(HIMAC)2008 1/30 21:00 – 1/31 7:00(マシンタイム8時間)

  3. 1チャンネル 阪大ASIC(MD01)の回路構成 マスクレイアウト 1チャンネル分の回路構成 DAQ装置 X線CCD DS モジュレータ プリアンプ 3 mm ５ビットDAC 3 mm プリアンプが信号を10倍に増幅。 チップサイズ3 mm X 3 mm チャンネル数 4 電源 3.3 V 製造プロセス TSMC 0.35 mm CMOS ※MOSISサービスを介してTSMCで製作 QFPパッケージング15mmX15mm DACが信号にオフセットを与える。 電圧差のDSAD変換を行う。 digital155bit列001010100101 110101111….. 12bitdecimal値 DS モジュレータ デシメーションフィルタ

  4. 実験諸元(1/2) Protonビーム諸元 エネルギー 200MeV 強度数100～ 108cnts/sec ビーム径～1cm×1cm ※3.3secのうち～1secだけ間欠的 にビーム放出 ※ビーム強度はMD01-4の最初のみ ビジュアルカウンタでモニタ。±20%の変動あり 本実験セットアップの写真 Protonビーム 蛍光板で見たビーム形状

  5. 実験諸元(2/2) データ取得 ピクセルレート 19.5 kHz 読み出しpixel数約800pixels×10 読み出し頻度原則1セット/5min 使用したASIC MD01 2チップ モニタ項目 ・雑音性能 ・線形性 ・ASIC基板に流れる電流 (Analog・Digital) Protonビーム ASIC 打ち上げ初期の異常動作→弱強度ビーム(チップA)耐性限界→強強度ビーム(チップB) レーザーによる照射物の位置決め

  6. ビーム照射ログ(チップA) 1.2x104 counts/sec(2.1rad/hour) 9.1x105 counts/sec(1.6x102rad/hour) 3.0hours=480rad 1.0hour 合計482rad(～0.5yr for Low earth orbit)

  7. ビーム照射ログ(チップB) 9.1x107 counts/sec(16krad/hour) 9.1x106 counts/sec(1.6krad/hour) 1.1hour=17krad 1.8hour=2.8krad 合計20.0krad (～20yr for Low earth orbit)

  8. 雑音性能と線形性 雑音性能 線形性 入力電圧をレンジ内(±20mV)で10パターン→一次関数でfitし、 積分非線形性(INL)をモニタ 入力電圧で出力decimal値をモニタばらつきのsigmaが雑音性能 σ=1.8E-3 Decimal値 Decimal値 入力電圧差 ピクセル番号

  9. 性能変化 チップA(1/2) 480radまで有意な変動なし。

  10. 性能変化 チップA(2/2) 480radまで有意な変動なし。

  11. 基板電流 チップA(1/2) デジタル 119mA 1mA=1digit 118mA 117mA 4.5hours 119mA 最後(480rad)まで安定 データ取得のタイミングで1mA分の振幅 118mA 1minute

  12. 基板電流 チップA(2/2) アナログ 13mA 12mA 1mA=1digit 11mA 4.5hours 最後(480rad)まで安定。データ取得タイミングと特に相関なし。

  13. 性能変化 チップB(1/2) 13krad(13yr for Low earth orbit)まで安定。14kradで有意な増加。

  14. 性能変化 チップB(2/2) 13krad(13yr for Low earth orbit)まで安定。14kradで有意な増加。

  15. Linearityの変化 10krad照射後 16krad照射後 Decimal値 Decimal値 入力電圧差 入力電圧差 16krad照射後あたりから、+入力側で線形性が悪化し始めた。

  16. 雑音性能の変化 10krad照射後 16krad照射後 σ=1.8E-3 σ=3.0E-3 Decimal値 ピクセル番号 16krad照射後あたりから、scatter plot に跳びが見られ始めた。 ただしこのとき電流に大きな変化はなし。

  17. 20krad照射後の線形性と雑音 線形性 雑音性能 Decimal値 Decimal値 入力電圧差 ピクセル番号 入力電圧を変化させてもAD出力が変化しなくなった。 Scatter plotの跳びは依然発生していた。

  18. 基板電流 チップB(1/2) デジタル 119mA 118mA 1mA=1digit 117mA 3hours 119mA 118mA 約6krad以降1mA減少。 データ取得のタイミングで1mA分の振幅 1minute

  19. 基板電流 チップB(2/2) アナログ 13mA 12mA 1mA=1digit 11mA 3hours 約6krad以降1mA減少。データ取得タイミングと特に相関なし。

  20. まとめ • ASIC(MD01)2枚に200MeV proton照射を行った。 • チップA: ～480rad (0.5year for Low earth orbit) • チップB:～20krad (20year for Low earth orbit) • チップA: • 雑音<・INLであり、ともに有意な劣化はなかった。 • 電流値も1mAのオーダーでは変動なし。 • チップB: • 13krad (13year for Low earth orbit)までは有意な性能劣化なし。 • 14kradを超えるとscatter plotに異常が現れ、ゲイン及び線形性が劣化。 • このとき電流値は有意な変化はなし。ショートなどは起こっていないようである。

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