阪大 ASIC(MD01)放射線試験結果

2008/2/18中嶋　大、松浦　大介、常深　博 ( 阪大 ) 、高島　健、三谷　烈史 (ISAS/JAXA) 、北村　尚 ( 放医研 ) 、 SXI PI チーム

阪大 ASIC の放射線耐性1. 打ち上げ初期の異常動作はないか ?

MD01へのプロトン照射は初めて2. 耐性限界 :軌道上で何年耐えうるか ?

どのような性能変化が起こるか ラッチアップ、ショートなどは起こらないか

放射線医学総合研究所 (NIRS)重粒子線がん治療装置(HIMAC)2008 1/30 21:00 – 1/31 7:00( マシンタイム 8 時間 )

阪大 ASIC(MD01) の回路構成

５ビット DAC

DSモジュレータ

1 チャンネル分の回路構成

プリアンプ

プリアンプが信号を 10 倍に増幅。

DAC が信号にオフセットを与える。

DSモジュレータ

電圧差の DS AD 変換を行う。

digital155bit列

001010100101

110101111…..

3 mm

マスクレイアウト

チップサイズ 3 mm X 3 mmチャンネル数 4電源 3.3 V製造プロセス TSMC 0.35 mm CMOS※MOSIS サービスを介して TSMC で製作QFP パッケージング 15mmX15mm

1 チャンネルX 線 CCD

3 m

m

DAQ 装置

デシメーションフィルタ

12bitdecimal 値

実験諸元 (1/2)Proton ビーム諸元エネルギー 200MeV強度 数 100 ～

108cnts/secビーム径 ～ 1cm×1cm※3.3sec のうち～ 1sec だけ間欠的 にビーム放出※ ビーム強度は MD01-4 の最初のみ ビジュアルカウンタでモニタ。 ±20% の変動あり

本実験セットアップの写真

Proton ビーム

蛍光板で見たビーム形状

実験諸元 (2/2)データ取得ピクセルレート19.5 kHz読み出し pixel 数 約800pixels×10読み出し頻度 原則

1 セット /5min使用した ASICMD01 2 チップモニタ項目・雑音性能・線形性・ ASIC 基板に流れる電流 (Analog ・ Digital)

Proton ビームASIC

打ち上げ初期の異常動作→ 弱強度ビーム ( チップ A)耐性限界→ 強強度ビーム ( チップ B)

レーザーによる照射物の位置決め

ビーム照射ログ ( チップ A)1.2x104 counts/sec(2.1rad/hour)

1.0hour

9.1x105 counts/sec(1.6x102rad/hour)

3.0hours=480rad

合計 482rad (～ 0.5yr for Low earth orbit)

ビーム照射ログ ( チップ B)

9.1x106 counts/sec(1.6krad/hour)

1.8hour=2.8krad

9.1x107 counts/sec(16krad/hour)

1.1hour=17krad

合計 20.0krad (～ 20yr for Low earth orbit)

雑音性能と線形性雑音性能

入力電圧で出力 decimal値をモニタばらつきの sigmaが雑音性能σ=1.8E-3

線形性入力電圧をレンジ内 (±20mV)で10パターン→一次関数で fitし、積分非線形性 (INL)をモニタ

入力電圧差

Deci

mal値

ピクセル番号

Deci

mal値

性能変化 チップ A(1/2)

480rad まで有意な変動なし。

性能変化 チップ A(2/2)

480rad まで有意な変動なし。

基板電流 チップ A(1/2)

1mA=1digit

最後 (480rad) まで安定データ取得のタイミングで 1mA 分の振幅

デジタル

118mA

119mA

117mA

118mA

119mA

4.5hours

1minute

基板電流 チップ A(2/2)アナログ

1mA=1digit

最後 (480rad) まで安定。データ取得タイミングと特に相関なし。

12mA

13mA

11mA

4.5hours

性能変化 チップ B(1/2)

13krad(13yr for Low earth orbit) まで安定。 14krad で有意な増加。

性能変化 チップ B(2/2)

13krad(13yr for Low earth orbit) まで安定。 14krad で有意な増加。

Linearity の変化16krad 照射後10krad 照射後

16krad 照射後あたりから、 + 入力側で線形性が悪化し始めた。入力電圧差

Deci

mal値

入力電圧差

Deci

mal値

雑音性能の変化16krad 照射後10krad 照射後

16krad 照射後あたりから、 scatter plot に跳びが見られ始めた。ただしこのとき電流に大きな変化はなし。

σ=1.8E-3 σ=3.0E-3

ピクセル番号

Deci

mal値

20krad 照射後の線形性と雑音雑音性能線形性

入力電圧を変化させても AD 出力が変化しなくなった。Scatter plot の跳びは依然発生していた。

ピクセル番号

Deci

mal値

入力電圧差

Deci

mal値

基板電流 チップ B(1/2)

1mA=1digit

約 6krad 以降 1mA 減少。データ取得のタイミングで 1mA 分の振幅

デジタル

118mA

119mA

117mA3hours

1minute118mA

119mA

基板電流 チップ B(2/2)アナログ

1mA=1digit

約 6krad 以降 1mA 減少。データ取得タイミングと特に相関なし。

12mA

13mA

11mA

3hours

まとめ• ASIC(MD01)2 枚に 200MeV proton 照射を行った。

– チップ A: ～ 480rad (0.5year for Low earth orbit)– チップ B: ～ 20krad (20year for Low earth orbit)

• チップ A:– 雑音 < ・ INLであり、ともに有意な劣化はなかった。– 電流値も 1mA のオーダーでは変動なし。

• チップ B:– 13krad (13year for Low earth orbit)までは有意な性能劣化なし。– 14kradを超えると scatter plotに異常が現れ、ゲイン及び線形性が劣化。– このとき電流値は有意な変化はなし。ショートなどは起こっていないようである。