RICERCA ITALIANA     

Progetto e costruzione di una nuova classe di rivelatori a pixel ad alte prestazioni, per la misura di radiazione e.m., dal visibile all'UV, fino ai raggi X (2-10 Kev).

Università di Pisa

Abstract

Abstract

Progetto, sviluppo e realizzazione di sensori elettronici di nuova concezione a lettura pixel CMOS, di grande area, assenza di spazi morti, con elevata capacità di imaging ed alta efficienza quantica e sensibilità al singolo fotone nella banda di energia della radiazione visibile, ultravioletta e X. [1,2]
I sensori proposti sono sensori di tipo imaging ad alta sensibilità, in grado di ricostruire con grande accuratezza spaziale singoli eventi ionizzanti, come la traccia di un fotoelettrone generato dall’interazione fotoeletrica di un raggio X con un gas, o il singolo fotoelettrone emesso da un fotocatodo colpito da un fotone nel visibile o nell’ultravioletto. Il principio di funzionamento dei sensori in oggetto è basato sull’ accoppiamento di un piano di lettura anodico a micropixel, realizzato in tecnologia CMOS, in grado di rivelare una corrente elettronica prodotta da uno stadio di preamplificazione della ionizzazione primaria (GEM in gas, MCP in vuoto).
Lo sviluppo di questa tecnologia e’ stato alla base del programma di ricerca di nuove e piu’ sensibili metodologie di rivelazione nel campo della Polarimetria X in Astrofisica delle Alte Energie [3,4,5,6]. L’utilizzo di polarimetri basati su questa tecnologia sono attualmente la soluzione base-line delle missioni HXMT [7] (congiunta ASI-Agenzia Spaziale Cinese), SimboliX [8](ASI), XEUS [9] (ESA).
I rivelatori imaging ad alta risoluzione spaziale per luce visibile e UV hanno un >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marco Maria Massai Università degli Studi di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto consta nello sviluppo e realizzazione di sensori elettronici di nuova concezione a lettura pixel CMOS, di grande area, assenza di spazi morti, con elevata capacità di imaging ed alta efficienza quantica e sensibilità al singolo fotone nella banda di energia della radiazione visibile, ultravioletta e X.
L'obiettivo finale del Progetto consiste nella realizzazione di una nuova classe di strumenti (rivelatori di radiazione e.m. a pixel) per l'utilizzo in vari campi dell'astronomia osservativa su satellite, a frequenze comprese nell'intervallo che va dal visibile all'UV, fino alla banda dei raggi X (<10 Kev).
Questi strumenti si basano sulla realizzazione di una struttura sensibile di nuova concezione, a grande area (9 cm2), basata sulla tecnologia ASIC-CMOS, in grado di campionare e misurare la carica che viene trasferita dalla zona di ionizzazione (X-ray) o di conversione (UV). Per la prima volta, verra' realizzata una matrice 2x2 di grandi sensori, utilizzando le piu' recenti tecniche post-processing dell’intero wafer di silicio prima del taglio dei chip. L’etching di un canale metallizato attraverso il wafer permetterà di realizzare un’interconnessione verticale, che predispone al successivo intervento di bump-bonding.
Tali sensori costituiscono sia l'elettrodo di raccolta di un rivelatore, sia il canale di ingresso ad una serie di dispositivi elettronici che realizzano prima il processamento del >>>

Risultati parziali attesi

Campi di applicazione di rivelatori imaging ad alta risoluzione spaziale per luce visibile e UV, possono essere individuati anche al di fuori del campo nel quale il lavoro precedente si e' svolto, e cioe' nella ricerca di una migliore soluzione per la misura della polarizzazione di una sorgente X, su satellite, al di fuori dell'atmosfera terrestre; ad esempio possiamo ricordare:
1) microscopia di fluorescenza di campioni biologici, cellulari o molecolari (Fluorescent Lifetime Imaging Microsocpy, Sub-diffraction Optical Microsopy);
2) sistemi di controreazione delle ottiche adattive dei grandi telescopi;
3) sensori UV nel campo della sicurezza avionica.
Inoltre, in campo spaziale, i rivelatori UV basati sulla tecica proposta, sarebbero adatti come Field Camera Unit della missione World Space Observatory/Ultraviolet
(http://wso.inasan.ru/instr.html).
Infine, nella banda ottica questi rivelatori possono essere usati come fotomoltiplicatori con capacità di imaging ad alta granularità per la lettura di cristalli di Tellurio di Zinco-Cadmio, che rappresentano la nuova frontiera nel campo dei nuovi scintillatori ad alto Z e che hanno grande interesse nell’astronomia X-gamma.

La ricerca che viene proposta nel presente Progetto permettera' di ottenere significativi vantaggi anche nei seguenti campi che non sono propriamente quelli per i quali questo sviluppo e' stato previsto:
1) rivelatori di >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Stato dell’arte
L’introduzione di strutture di moltiplicazione della carica come il Gas Electron Multiplier (GEM) o il Micro Channel Plate che permettono la separazione della stadio amplificante dall’elettrodo di lettura a sua volta strutturabile indifferentemente a strisce o a pad, ha portato alla realizazzione di una nuova classe di rivelatori del tipo MicroPattern. Lo sviluppo fatto all’INFN di Pisa di un CMOS ASIC, al tempo stesso piano di raccolta della carica a matrice di pixel ed elettronica di processing del segnale, accoppiato ad un GEM ha permesso di ottenere con un rivelatore a gas prestazioni ed un livello di compattezza ed integrazione pari a quello dei rivelatori a stato solido.
Sono state prodotte tre generazioni di chip, di dimensioni, prestazioni e complessita’ sempre crescenti (fig. 1)[10,11,12,13].



Fig. 1 Le tre generazioni di CMOS ASIC

Le prime due versioni, relizzate in tecnologia CMOS 0.35 micron, hanno passo di 80 micron, e area attiva rispettivamente di 12mm2 e 120mm2, corrispondenti a 2101 e 22080 pixel. Entrambi i chip lavorano in modo asincrono su segnale di trigger esterno fornito dall’elettrodo superiore del GEM. Il livello di rumore misurato e’ mediamente di 100 elettroni equivalenti (ENC) per entrambi i chip. La terza implementazione del chip ha area attiva di 225mm2, 105600 pixel a passo di 50 micron e conseguentemente una densita’ di canali di circa 470pixels/mm2. L’area molto >>>