面向空间应用的低噪声、低功耗、大面阵X射线CCD读出技术研究

Space X-ray astronomical detection techniques have been extensively developping towards the trend of low noise, low power and large scale.Owing to the incomparable comprehensive performance over similar detectors for high-energy particles in terms of both energy and spatial resolutions, X-ray CCD has a broad application prospect in X-ray astronomy field. Therefore, researches on low-noise, low-power, large-scale X-ray readout techniques for space applications have important scientific meanings and practical value. This project focuses on the fundamental research on X-ray CCD readout techniques, including theory, algorithm and ASIC techniques, which are inevitable for the realization of a practical ASIC for space applications on the long run. It aims to realize two specific goals: one is the development of theory and algorithm for the application of Sigma-Delta technique on X-ray CCD signals, the other is the implementation and verification of a multi-channel, ultra-low noise ASIC.

空间X射线天文探测技术日益朝着低噪声、低功耗、大面阵的方向发展，而X射线CCD探测器具有同类型高能粒子探测器无法比拟的能量与空间分辨综合性能，在X射线天文探测领域具有广阔的发展前景。因此，开展面向空间应用的低噪声、低功耗，大面阵X射线CCD读出技术的研究具有非常重要的科学意义和实用价值。本项目定位于低功耗、低噪声、大面阵X射线CCD读出技术的基础研究，包括理论算法研究、ASIC实现研究与验证，为最终实现一款具有抗辐照功能的低功耗、低噪声、大面阵X射线CCD读出ASIC进行前期关键技术验证，并为未来X射线天文探测项目的立项储备关键技术，提供理论依据与实验数据。拟实现以下两个具体目标：一是研究利用Sigma-Delta技术处理X射线CCD信号的理论与算法；二是利用前述理论与算法设计一款多通道超低噪声ASIC，并进行硅片验证。

通过本项目的实施，我们在以下三个方面开展了研究：一是适用于X射线CCD信号处理的低噪声、低功耗sigma-delta调制器（SDM）算法研究与设计，研究SDM对X射线CCD信号的适配性。二是适用于X 射线CCD信号处理的低噪声、低功耗插值滤波器算法研究与设计，研究插值滤波器对X 射线CCD信号与前置SDM 的适配性。三是适用于X 射线CCD 读出ASIC低噪声通用验证平台研究与设计。重点解决了sigma-delta 技术处理X射线CCD信号的适配性、X射线探测器及其读出系统的仿真以及测试与验证平台的噪声等三个主要的科学问题。提出了基于sigma-delta技术的相关双采样算法理论及其ASIC实现方法，并在0.35μm CMOS工艺上设计了一款包含调制器与解调器的全功能ASIC原型，进行了全面的硅片验证。该ASIC与一款X射线CCD（CCD236）的联合测试表明，整个系统在100kHz像素率，213K温度条件下可以实现136eV@5.9keV的能量分辨率性能，且ASIC的功耗仅为71mW，很好地实现了研究目标，形成了一整套知识产权。本项目的意义在于它为最终实现一款具有抗辐照功能的低功耗、低噪声、大面阵X 射线CCD 读出ASIC进行了关键技术验证，并为未来X射线天文探测项目的立项储备了关键技术，提供了理论依据与实验数据。