阪大 asic(md01) 放射 線 試験 結果
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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1. 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2. 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 )
阪大 ASIC(MD01) の回路構成
5ビット DAC
DSモジュレータ
1 チャンネル分の回路構成
プリアンプ
プリアンプが信号を 10 倍に増幅。
DAC が信号にオフセットを与える。
DSモジュレータ
電圧差の DS AD 変換を行う。
digital155bit列
001010100101
110101111…..
3 mm
マスクレイアウト
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
1 チャンネルX 線 CCD
3 m
m
DAQ 装置
デシメーションフィルタ
12bitdecimal 値
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
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 ASICMD01 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
ビーム照射ログ ( チップ A)1.2x104 counts/sec(2.1rad/hour)
1.0hour
9.1x105 counts/sec(1.6x102rad/hour)
3.0hours=480rad
合計 482rad (~ 0.5yr for Low earth orbit)
ビーム照射ログ ( チップ B)
9.1x106 counts/sec(1.6krad/hour)
1.8hour=2.8krad
9.1x107 counts/sec(16krad/hour)
1.1hour=17krad
合計 20.0krad (~ 20yr for Low earth orbit)
雑音性能と線形性雑音性能
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
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
入力電圧差
Deci
mal値
ピクセル番号
Deci
mal値
性能変化 チップ A(1/2)
480rad まで有意な変動なし。
性能変化 チップ A(2/2)
480rad まで有意な変動なし。
基板電流 チップ A(1/2)
1mA=1digit
最後 (480rad) まで安定データ取得のタイミングで 1mA 分の振幅
デジタル
118mA
119mA
117mA
118mA
119mA
4.5hours
1minute
基板電流 チップ A(2/2)アナログ
1mA=1digit
最後 (480rad) まで安定。データ取得タイミングと特に相関なし。
12mA
13mA
11mA
4.5hours
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。
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。
Linearity の変化16krad 照射後10krad 照射後
16krad 照射後あたりから、 + 入力側で線形性が悪化し始めた。入力電圧差
Deci
mal値
入力電圧差
Deci
mal値
雑音性能の変化16krad 照射後10krad 照射後
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。
σ=1.8E-3 σ=3.0E-3
ピクセル番号
Deci
mal値
20krad 照射後の線形性と雑音雑音性能線形性
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。
ピクセル番号
Deci
mal値
入力電圧差
Deci
mal値
基板電流 チップ B(1/2)
1mA=1digit
約 6krad 以降 1mA 減少。データ取得のタイミングで 1mA 分の振幅
デジタル
118mA
119mA
117mA3hours
1minute118mA
119mA
基板電流 チップ B(2/2)アナログ
1mA=1digit
約 6krad 以降 1mA 減少。データ取得タイミングと特に相関なし。
12mA
13mA
11mA
3hours
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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