2017 Fiscal Year Annual Research Report

Development of super high-speed X-ray spectroscopic imager based on high-resistive silicon process and capacitive-coupled interconnection method

Research Project

Project/Area Number	17H04840
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	岸下徹一大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教 (80789165)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	ASIC / DAQシステム / エレクトロニクス
Outline of Annual Research Achievements	平成29年度の研究では 1. ASIC評価に必要となる汎用的なデータ取得システムの開発を行った。プリント基板の設計とレイアウトを、外注ではなく自分の手で行うことで、コストの削減だけでなく、デザインの洗練化(アップデート)やIP化(実績のある回路方式やレイアウトを別のプロジェクトに応用するなど)を踏まえた共通基盤の構築を目指した。 2. 高耐圧プロセスであるXFAB180 nm SOI-CMOSを用いたピクセルセンサーチップを試作した。当初は、高抵抗のL-Foundryの180 nm CMOSを検討していたが、ヨーロッパのグループとの相乗りのスケジュールとマッチしないことからXFABを選択した。このプロセスには、従来の高抵抗プロセスにはない”高耐圧”という特徴がある。そこでピクセルセンサー自体に静電破壊防止用のダイオードを作り込み、X線検出器としてだけでなく、放電が問題となっているマイクロパターンガス検出器の読み出しとしても使用できる構造にした。 3. センサーからの信号処理アーキテクチャとして、回路の増幅率を入力信号の大きさによって自動で切り替えるダイナミックスイッチング方式を導入し、その性能評価を実施した。このチップの開発は、本研究以外のプロジェクトの資金で実施されたものであるが、新しい回路方式は、本研究の目指す新しいX線イメージング検出装置の開発、とりわけセンサーからの読み出し回路部分への応用が可能である。 4. Bonn大学と共同で開発した65 nm CMOSを用いたギガビットトランシーバ回路の評価を行なった。本研究との関連では、大量のイメージングデータを後段のエレクトロニクスへと高速にデータ転送を行うために必須となる回路である。また、設計した回路は0.5 Gradという高放射線下で動作することが確認され、本研究の装置に高放射線耐性という新たな付加価値が加わる可能性が出てきた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason XFAB 180 nm CMOSプロセスを用いてデザインしたセンサーチップを2017年9月にファウンダリーの方へサブミットした。通常のASICはおおよそ3ヶ月程度で出来上がってくるため、当初の予定では2017年度内に性能評価を行う予定であったが、チップの発送が2018年4月末との報告を受け、評価の予定が若干遅れている状況にある。
Strategy for Future Research Activity	平成30年度の研究では、センサーからの信号を処理した後、アナログ信号をデジタル情報へと変換するADC(アナログ-デジタル変換器)に重点を置いた読み出し回路の開発を実施する。具体的にはADCをセンサーと同面積のピクセル状に配置したピクセル型ADCチップ(信号処理回路を含む)を65 nm CMOSプロセスを用いて試作する。またセンサーチップの評価を行い、ピクセルADCチップと接合して性能評価を行う予定である。