Attività di ricerca e sviluppo MATRIX Siena, December 19 20, 2006 Giornata di Dipartimento MATRIX ESPERIMENTO DI RICERCA E SVILUPPO INFN CSN5

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1 Meyoung Kim : MATRIX ESPERIMENTO DI RICERCA E SVILUPPO INFN CSN5 Sviluppo di matrici di sensori a semiconduttore con pixels di grandi dimensioni per l'identificazione in carica della radiazione cosmica primaria in esperimenti nella stratosfera o nello spazio. Maria Grazia Bagliesi : Sviluppo di elettronica di front-end ad alto range dinamico e basso rumore

2 The latest generation of space-based or balloon-borne borne experiments, dedicated to the direct measurements of elemental composition and energy spectra of charged cosmic rays,, are designed to: identify the primary particle record in flight its charge and energy.

3 Energy spectrum of cosmic rays span a very wide range of energies obey a power law differential spectrum KNEE : first observed in 1958 by Kulikov and Khristiansen in extended air showers experiments a steepening of the spectrum at ~ 4 x ev still not well understood but commonly believed to play a key role in understanding the CR sources, acceleration mechanisms and modes of transport for the high-energy cosmic rays under investigation The low flux of cosmic rays at energies close to the knee imposes to maximize the sensitive area of the instrument (~ 5 10 m 2 ) and its exposure time (~ 3-5 years) within the limitations due to the available weight and power.

4 Space-based and balloon- borne experiments, with their large number of readout channels require dedicated front-end low-power devices with large dynamic range A low-noise noise, low-power ASIC with large dynamic range (~1000 MIP). The VA32HDR14.2 front-end ASIC It was developed by IDEAS under specifications defined by the R&D program MATRIX, funded by INFN (CSN5)

5 The R&D program MATRIX, funded by INFN (CSN5), is intended to develope: front-end electronics with large dynamic range and low noise a large area silicon array detector with pixels of 1 cm 2 area for the identification of charged cosmic rays in balloon-borne borne or space-based experiments Already developed: A prototype silicon detector with 64 pads on a 6 6 wafer as a building block for a large area silicon array. A low-noise noise, low-power front-end ASIC with large dynamic range (1000 MIP)

6 VA32HDR14.2 ASIC 32 channels charge sensitive preamplifiershaper circuit Main features: optimization for positive polarity, low noise (~ 3000 e - ), low power dissipation: ~3 mw/channel, large dynamic range, less then 1% non linearity up to +6pC peaking time: 1.9 µs sample-and-hold, multiplexed analog read-out, calibration facilities, gain: ~ 150 µa/pc Pad layout

7 Overview of the VA32HDR14.2 Front-End Analog signal processing Charge sensitive preamplifier Slow Shaper CR-RC noise filter

8 Timing diagram for the readout of the VA32HDR14.2 Hold ~2µs External signal to be applied after T p to sample all channels Shift_in Activation of the output bit-register and readout of the first channel Clock Signal Output #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16 #17 #18 #19 #20 #21 #22 #23 #24 #25 #26 #27 #28 #29 #30 #31 #32 Time of physics event The analog data is clocked out on the falling edge of the clock

9 Attività di ricerca e sviluppo MATRIX ~3.4mm Bonding pad size: 90 x 90 µm ~4.4 mm

10 VA32HDR14.2 test board Top Bottom 16 bit ADC VA32HDR14.2

11 Logical blocks of the VA32HDR14.2 test board ADC_CLK START_CONV Differential CMOS receiver 32 HIGH SEC. INPUTS FROM HPDs DRESET VA_CLK VA_SHIFT_IN TESTON TRIGGERIN Voltage level translators delay generator FF VA I -> V Diff. Ampl. Diff. ADC Diff. CMOS driver AD_DATA_H +/- HOLDRESET 32 LOW SEC. INPUTS FROM HPDs Voltage level translators delay generator FF VA I -> V Diff. Ampl. Diff. ADC Diff. CMOS driver AD_DATA_L +/-

12 Trigger VME interface Pulse generator VA VA Charge injection board VA VA Test board

13 RMS of pedestals with VA chips RMS vs low channels Mean RMS of low section LOW section (inputs 1-32) RMS 2.81 ADU RMS vs high channels Mean RMS of high section HIGH section (inputs 33-64) RMS 2.92 ADU N.B. The RMS noise of the test board WITHOUT the VA32HDR14.2 chips is ~1.85 ADC counts

14 Stability of pedestals Low section ADC counts days test 1.9 Time (hours) High section Room temperature Good stability ADC counts Time (hours)

15 6000 Peaking time at constant input charge 1.8µs 2µs ADU Trigger-Hold delay (ns)

16 Linearity test ADC counts From a linear fit: 1 pc ~ 3800 ADC units Input charge (pc)

17 Linearity better than 1% up to ~6 pc Non linearity (%) % -1% Input charge (pc)

18 Calibration ADU -> fc 1 fc ~ 3.8 ADC units -> 1 ADU ~ 0.26 fc RMS noise of the test board without VA chips is ~ 0.47 fc RMS noise of the test board with VA chips is ~ 0.75 fc (N.B. 1 MIP = 6.4 fc) RMS noise of the VA32HDR14.2 is ~ 0.58 fc

19 LOW POWER CONSUMPTION: ~ 100mW HIGH DYNAMIC RANGE: ~ 10 4 VERY GOOD STABILITY OF PEDESTALS PEAKING TIME: ~ 1.9 µs LINEARITY: better than 1% up to 6 pc ASIC RMS NOISE: ~ 0.58 fc

20 Why a large area Si pad detector? Example of experiments (on balloons or in space), in operation or at design stage, where the charge identification of primary cosmic rays is achieved by means of a Si detector with "large" pixels of order 1 cm 2 CALET on Exposed Facility of JEM on the ISS Si Matrix ATIC Balloon Experiment CREAM Balloon Experiment CALET ISS Experiment

21 Detector Description Attività di ricerca e sviluppo MATRIX Wafer information Thickness: 500 µm 6 Radius Phosphorous doped n-type : Resistivity: > Ω cm <1,0,0> Crystal lattice oriented Detector information PIN diode (B implantated pixels on N-sub) Pixel area: 1cm 2 Matrix: 8 X 8 (64 pixels) Fabricated at ST Microelectronics in catania, Italy

22 Summary of electrical characteristics CV character of 5 sensors IV character of 64 pads Leakage current stability Temperature dependence The result was presented at 10 th Pisa Meeting on Advanced Detectors. A large area silicon pixel array for the identification of relativistic nuclei M. in Kim cosmic e M.G. ray Bagliesi experiments [ P.S. Marrocchesi, et al] (in press)

23 β-source Test Attività di ricerca e sviluppo MATRIX - Source information : 106 Ru (Beta emission: ending point 3.5MeV) - Amplifier information 1) AMPTEK A-203 Charge sensitive preamp/shaping amplifier : Sensitivity -> 0.42uV/electon, Bipolar output 1.2 MΩ 2) AMPTEK A-206 Voltage amp./low level discriminator : Gain -> X 10 nominal 1.2 MΩ um MΩ +HV 1 nf AMPTEK A-203 Charge sensitive preamp. /Shaping Amplifier ~40000 e + are generated by MIP at 500um of penetration depth e + X 0.42uV = 17mV AMPTEK A-206 Voltage amp. /Low level discriminator 17mV X 10 = 170mV Depletion voltage -> 20V 40V 60V 80V 100V 120V Output voltage -> 230mV 292mV 364mV 384mV 373mV 373mV (Err. : 20mV) M. Kim e M.G. Full Bagliesi depletion voltage of the tested detector (75V)

24 Detector Mount with Front-end board front-end board 64 - pads sensor A large area Si sensor has been mounted with FlexiblePCB for Signal Readout (by wire bonding) and Cu plate for High-voltage bias. Operating voltage 130V through 1 MΩ resistor. New front-end chip HDR14.2 (32 channels) [M.G. Bagliesi IPRD06] 64 channels board with 16 bit ADC [M.G. Bagliesi IPRD06]

25 Lab. test - Atmospheric Muon Test Muon test with 3 scintillator triggers Triggers geometry Trigger 1 Trigger 2 Event entries per pixel (Trigger shadow) Trigger 3 Entries The illuminated area on the silicon sensor is limited by the geometry of the trigger counters. Row Column

26 Lab. Test: Atmospheric Muon Test result (a) Pulse height distribution from 12 pads: Pedestal fitting The most probable signal-to-noise ratio: about 8. The result was presented at 10 th Topical Seminar on Innovative Particle and Radiation Detectors, Oct (b) Muon signal

27 Summary A large area silicon pad detector for the identification of cosmic ions is being developed and tested. The test results show that signals from Z=1 charged particles can be separated from the noise with an excellent S/N ratio. Detector thickness : 500 um Pixel size : 1 cm 2 Matrix array : 8 X 8 Full depletion voltage < 100 V Pixel capacitance at full depletion ~ 23 pf Pixel leakage current at full depletion ~ 2 na/cm 2 Most probable signal to noise ratio: ~ 8

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