在空间与高能物理实验应用的抗辐射单片有源像素粒子探测传感器关键技术研究

CMOS monolithic active pixel particle detectors are widely used in space exploration and high energy physics experiments. However, the detector development requires long-term accumulation of theory research and engineering experiences, and the development expense is generally high. At the moment, the detectors in our country are depended on imports. This project dedicates to realize radiation hard monolithic active pixel particle detectors applied in high energy physics experiments and space exploration. We will design and manufacture radiation hard large array monolithic active pixel particle detectors with own intellectual property. By modelling detecting unit in device level, we will finish theoretical analysis of pixel performance degradation induced by radiation environment, including the device damage under different radiation conditions, the dark current distribution model and RTS noise model. In addition, radiation hard design techniques on CMOS monolithic active pixel particle detectors will be studied in advance. The main effects focus on different types of radiation hard circuit design techniques, the dark current and RTS noise suppression method. This project is expected to conquer the key techniques on designing large array monolithic active pixel particle detectors, and to design radiation hard detectors.

CMOS单片有源像素粒子探测器广泛应用于空间粒子探测以及大型物理实验中，但技术开发难度大，需要长期的理论和工程积累，而且研发成本高，我国该类产品目前仍依赖进口。本项目通过设计制造具有自主知识产权的抗辐射像素级大阵列单片粒子探测器芯片，完成在空间与大型高能物理实验中应用的抗辐射单片有源像素粒子探测传感器关键技术研究。通过探测单元的器件级建模，分析和研究辐射环境致像素性能退化的理论，包括不同种类辐射条件下的器件损伤情况，暗电流分布模型研究以及RTS的噪声模型研究；进而研究CMOS单片有源像素粒子探测器的辐射加固技术，包括不同类型辐射加固技术和暗电流和RTS噪声抑制方法研究。项目的预期目标是攻克像素级大阵列单片有源像素粒子探测器芯片研发的技术难点，设计相应的抗辐射性能的芯片。

CMOS单片有源像素粒子探测器可用于空间粒子探测、高能物理大型粒子对撞机的探测器、生物医学成像等。本项目主要对单片有源像素传感器设计的难点和关键点进行攻克，并取得了一些重要的结果和结论。第一，对单片有源粒子探测器进行了质子和gamma辐射，研究在辐照条件下的性能退化及其模型，建立了其探测单元的暗电流退化模型，进一步可通过预估的模型来对成像数据进行矫正提高探测器的成像质量。第二，研究了抗辐射设计方法，设计了可用于CMOS单片有源像素粒子探测器的抗辐射前端读出电路、抗辐射存储器、抗辐射LDO、抗辐射ADC等模块电路。第三，结合CMOS单片有源像素传感器的高速读出的发展趋势,研究了高速MAPS的读出算法和读出电路架构。通过该项目基本攻克了单片有源像素传感器设计中的抗辐射问题和高速读出问题，特别是和高能物理实验的结合将促进单片有源像素传感器传感器在大型粒子对撞机中的顶点探测器和径迹探测器上的使用。