Readout electronics of particle detection systems

Táto práca sa venuje detekčným systémom častı́c vhodných pre meranie röntgenového žiarenia, beta žiarenia a iónov vrátane alfa častı́c. Tento detekčný systém pozostáva z kremı́kového n+–on–p stripového senzora, ktorý je pripojený na PH32 front-end vyčı́tavacı́ čip s možnosťou použitia pri meranı́ radiačnej dávky, základnej spektroskopie, sledovanı́ dráhy častı́c alebo iónovej hmotnostnej spektroskopii. PH32 čip bol vyrobený s použitı́m komerčného 180 nm CMOS procesu. Je schopný merať vygenerovaný náboj, počı́tat zrážky a merať čas prı́letu častice zo senzora v dvoch operačných módoch. Mód s vysokým zosilnenı́m je schopný merať náboj v rozmedzı́ od 3 ke- do 40 ke- pre nı́zkoenergetické röntgenové žiarenie a beta radiáciu, mód s nı́zkym zosilenı́m v rozmedzı́ od 300 ke- do 4 Me- pre meranie alfa častı́c. Presnosť merania je okolo 1100 e- pre čip kalibrovaný na náboj 10 ke- v móde s vysokým zosilnenı́m a 2300 e- pre čip kalibrovaný na náboj 2 Me- v móde s nı́zkym zosilenı́m. Štúdia je zameraná na celkový opis čiu, jeho kalibráciu a merania odozvy kanálov na injektovaný náboj, ktoré zahŕňajú linearitu, zosilnenie, jednotnosť kanálov, šum a rozptyl. Sú prezentované energetické spektrá viacerých zdrojov žiarenia spolu s možnosťou merania radiačnej dávky v rozsahu osem rádov. Cieľom štúdie je taktiež popis hardvérových obmedzenı́ spolu s problémami, ktoré vznikajú počas vývoja ASIC vyčı́tacieho čipu.This study report deals with a particle detection system suited for the measurement of X–rays, beta radiation and ions including alpha particles which has been developed recently. The detection system consists of silicon n+–on–p strip sensor connected to the PH32 front-end readout chip which can be used in the dose rate measurement, the basic spectroscopy, particle tracking or ion mass spectroscopy. The PH32 chip was manufactured using a commercial 180 nm CMOS process. It is able to measure the generated charge, the counting hits as well as the time of particle arrival from a silicon sensor in two operation modes. The high gain mode is able to measure generated charge in the range from about 3 ke- to 40 ke- for soft X-rays and beta radiation, the low gain mode in the range from about 300 ke- to 4 Me- for alpha particles. The electronic noise is about 1100 e- for the chip calibration charge of 10 ke- at high gain mode and 2300 ke- for the chip calibration charge of 2 Me- at low gain mode. The study is focused on overall chip description, its calibration and measurements of channels response to the injected charge including linearity, gain, channel uniformity, noise and dispersion. The energetic spectra of several radiation sources are presented together with the ability to measure the dose rate in the range of 8-orders of magnitude. The aim of the study includes description of the hardware limitations together with the issues arising throughout the ASIC readout chip development