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Description
Vortrag zur Masterarbeit von Nicolas Striebig zum Thema Entwicklung von integrierten Sensoren für Gammastrahlen-Astronomie.
Ein neuartige Anwendung für Pixeldetektoren ist Rahmen des AMEGO-X Projekts entstanden, welches die Entwicklung eines Gammastrahlen Observatoriums für Multimessenger Astronomie mit Startdatum im Jahr 2028, zum Ziel hat. Für den 40-lagigen Compton-Tracker wurde ein neuer Pixeldetektor mit geringer Leistungsaufnahme und hohem Dynamikbereich von der ADL Gruppe am KIT entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die erste Version von Astropix mit dem vom ADL entwickelten GECCO Testsystems getestet. Dazu wurde eine chip-carrier Platine entwickelt und Verbesserungen an der GECCO Umgebung vorgenommen. Die Ergebnisse einer ersten Charakerisierung bezüglich der Leistungsaufnahme, Rauschen, Dynamikbereich und Time-over-threshold Messung werden vorgestellt und diskutiert. Aufgrund der Ergebnisse und Anforderungen, die mit den Projektpartnern der NASA und Argon National Laboratory intensiv diskutiert wurden, wird auch ein erster Ausblick auf die zweite Revision gegeben, die im Mai 2021 submittiert werden soll. Der limitierte Platzbedarf und der weite Temperaturbereich in einer obitalen Umgebung, haben zur Entwicklung von zwei neuen Buildingblocks geführt. Verschiedene Architekturen von Ladungspumpen wurden untersucht um die hohe Biasspannung, die zur Verarmung des Detektorelements benötig wird, on-chip zu erzeugen. Dazu wird eine integrierte Ladungspumpe für Spannungen bis -50 V auf Basis der Dickson Architektur vorgestellt, die für zukünftige Anwendungen mit limitierten Platzangebot verwendet werden könnte. Die erwartete Betriebstemperatur in einem Satellit reicht von -20 bis +50 °C, was die Genauigkeit der Messwerte wesentlich beeinflussen kann. Dazu wird ein Konzept für einen integrierten Temperatursensor auf Basis einer Bandgap-Referenz mit einer nichtlinearität von 2% über dem genannten Temperaturbereich in Kombination mit einem charge-redistribution SAR ADC vorgestellt.
Vortragssprache: Englisch
Lecture to the master thesis from Nicolas Striebig on the Topic Development of Integrated Sensors for Gamma Ray Astronomy
A novel application for pixel detectors is given by the AMEGO-X Project, which is a low-orbit gamma ray observatory for multimessenger astrophysics, being developed for a 3 to 5 year mission set to take off in 2028. For the 40-layer compton tracker, a new low power and high dynamic range silicon pixel-detector chip named AstroPix has been developed by the ADL-Group at KIT. During this work, the first version of Astropix has been tested using the GECCO standard test system developed at ADL. A chip-carrier pcb has been designed and improvements made to the GECCO environment. The results of an initial characterization concerning power consumption, noise, dynamic range, time-over-threshold measurements and the digital readout are presented and improvements are discussed. Based on the results and the specific requirements, which have been intesivly discussed with the collaborators from NASA and Argon National Laboratory, a first outlook is given on the second iteration of the chip, which is planned to be submitted in Mai 2021. Given the limited space available and the wide temperature range in an orbital environment, two new integrated building blocks have been developed. Research has been done on different charge pump architectures to generate the required high-voltage bias to deplete the detector. A fully integrated HV charge pump design for voltages up to -50V based on the Dickson architecture is presented, which could be used for future applications with limited design space. The anticipated operating temperature in a satellite ranges from -20 to 50 °C, which has a significant impact on the measurements. Therefore, an integrated bandgap temperature sensor element with a 3sigma 2% non-linearity is presented together with a digital readout concept including a charge-redistribution SAR ADC.
Lecture language: English
