DZIEKAN i RADA WYDZIAŁU
INFORMATYKI, ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI
AKADEMII GÓRNICZO-HUTNICZEJ im. ST. STASZICA W KRAKOWIE
zapraszają na
publiczą dyskusję nad rozprawą doktorską

mgr inż. Krzysztofa Kasińskiego
Multichannel Integrated Circuits for Silicon Strip Detectors Readout with Timestamping and Amplitude Pulse Measurement
Termin:18 października 2012 roku o godz. 12:00
Miejsce:bud. D-17, sala 1.36,
ul. Kawiory 21, 30-059 Kraków
PROMOTOR:Prof. dr hab. inż. Paweł Gryboś, Akademia Górniczo-Hutnicza
RECENZENCI:Prof. dr hab. inż. Zygmunt Ciota, Politechnika Łódzka
Dr hab. inż. Ryszard Golański, prof. AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza
Z rozprawą doktorską i opiniami recenzentów można się zapoznać
w Czytelni Biblioteki Głównej AGH, al. Mickiewicza 30


Multichannel Integrated Circuits for Silicon Strip Detectors Readout with Timestamping and Amplitude Pulse Measurement

mgr inż. Krzysztof Kasiński

Promotor: prof. dr hab. inż. Paweł Gryboś (AGH) Dyscyplina: Elektronika

Detektory półprzewodnikowe są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu i nauki. Detektory paskowe i pikselowe stosowane są od wielu lat w eksperymentach Fizyki Wysokich Energii, aplikacjach obrazowania medycznego z wykorzystaniem promieniowania X a także w krystalografii i dyfraktometrii.

Nowe eksperymenty Fizyki Wysokich Energii (jak np. projektowany eksperyment Compressed Baryonic Matter CBM w ośrodku GSI w Niemczech) ustanawiają nową klasę układów detekcyjnych co wiąże się bezpośrednio z nowymi wymaganiami stawianymi układom odczytowym.

Głównym celem prezentowanej pracy były badania w kierunku uzyskania niskomocowego, niskoszumnego rozwiązania do jednoczesnego pomiaru ładunku (z liniową charakterystyką przetwarzania) oraz nadawania znaczników czasowych które może współpracować z detektorami o dużej pojemności i może być zaimplementowane w wielokanałowym układzie scalonym o dużej skali integracji (niewielka szerokość kanału). Badania skoncentrowane były wokół podejścia typu Time-over-Threshold (ToT) jako potencjalnie najlepszego kandydata dla niskomocowego pomiaru wygenerowanego ładunku. Spełnienie postawionych w celu pracy wymagań stanowi poważne wyzwanie projektowe, które uzasadnia brak istniejących rozwiązań w tym zakresie.

W ramach prowadzonych prac zaprojektowano i wykonano dwa wielokanałowe układy scalone. TOT01, pierwszy prototypowy układ został zaprojektowany w celu sprawdzenia koncepcji zastosowania przetwarzania typu ToT dla detektorów krzemowych o dużej pojemności. Wynik tego eksperymentu był pozytywny. W trakcie testów zaobserwowano jednak kilka problemów i negatywnych zjawisk, które po przeanalizowaniu stały się podstawą do opracowania drugiego prototypowego układu scalonego TOT02. Ulepszone analogowe obwody wejściowe, podwyższona odporność radiacyjna oraz dodanie kompletnego cyfrowego bloku interfejsowego pozwoliły na uzyskanie układu scalonego spełniającego wymagania stawiane przed projektem.

Do najważniejszych osiągnięć pracy badawczej można zaliczyć przede wszystkim:

  • Opracowane i zaimplementowane zostało w wielokanałowym, niskomocowym układzie scalonym rozwiązanie pozwalające na jednoczesny pomiar wygenerowanego ładunku w krzemowym detektorze paskowym oraz na nadawanie znacznika czasowego każdemu zarejestrowanemu zdarzeniu. Ponadto rozwiązanie to może pracować w środowisku o podwyższonej dawce promieniowania.
  • Zidentyfikowane, zrozumiane i wyjaśnione zostały kluczowe problemy związane z projektowaniem torów odczytowych z przetwarzaniem typu Time-over-Threshold dla detektorów o dużej pojemności. W szczególności warto wspomnieć o efekcie zwiększonego szumu mierzonego na podstawie obserwacji statystycznej długości trwania impulsów dla niższych progów dyskryminacji spowodowanym wypłaszczeniem zbocza rozładowania impulsu napięciowego.
  • zostały źródła nieidealności charakterystyk toru przetwarzania i zaproponowane oraz wprowadzone zostały środki zaradcze.
  • W trakcie charakteryzacji wykonanych układów scalonych zaproponowano nową formułę funkcji dopasowującej, która w porównaniu do powszechnie stosowanych pozwala na dokładniejszą ekstrakcję kluczowych parametrów układu scalonego z przetwarzaniem typu ToT.

Wyniki i wnioski wynikające z prezentowanej pracy stanowią istotny wkład w wiedzę w obszarze metod odczytu detektorów pojemnościowych (bez ograniczania tylko do krzemowych detektorów promieniowania). Zidentyfikowane zostały problemy związane z zastosowaniem przetwarzania typu Time-over-Threshold bez obecności układów kształtujących do pracy z detektorami o dużej pojemności (więcej niż kilka pF).

Praca ta jest również ważna z punktu widzenia rozwoju układu odczytowego dla potrzeb detektora STS w eksperymencie CBM (FAIR, GSI, Niemcy). ToT był jedną z rozważanych architektur przy konstrukcji tego systemu. Ponadto, przedstawione badania w kierunku wpływu szeregowej rezystancji i rozproszonej pojemności pasożytniczej układu detektora i przewodów połączeniowych na całkowitą wydajność szumową układu detekcyjnego pozwoliło wybrać optymalny kierunek konstrukcji stacji detektora STS.


Dłuższa wersja autoreferatu dostępna jest autoreferat_v7.pdf


Ważniejsze publikacje doktoranta:

  1. Kasiński K., Szczygieł R., Gryboś P., 2011, TOT01, a time-over-threshold based readout chip in 180nm CMOS technology for silicon strip detectors, JINST Journal of Instrumentation, [dokument elektroniczny] 6: 1-6.
  2. Kasiński K., Szczygieł R., Czermak A., 2009, Test results of a self-triggering strip detector readout chip, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 607: 244-246.
  3. Kasiński K., Szczygieł R., Gryboś P., Prototype readout electronics and silicon strip detector study for the silicon tracking system at compressed baryonic matter experiment, [w:] Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2011, Proceedings of SPIE, Romaniuk R., 2011, 8008; doi:10.117/12.904879.
  4. Kasiński K., Szczygieł R., Gryboś P., TOT02, a Time-over-Threshold Based Readout Chip in 180 nm CMOS Process for Long Silicon Strip Detectors, [w:] Proceedings of 2011 IEEE Nuclear Science Symposium / Medical Imaging Conference, 23-29 October, Valencia, Spain.

Uzasadnienie wyróżnienia pracy

Doktorant jest autorem bądź współautorem 29 artykułów naukowych. W tym 2 znajdują się na liście filadelfijskiej [1][2], 12 jest artykułami samodzielnymi. Na koncie ma on również 3 rozdziały w książkach. Wyniki badań będące wynikiem prezentowanej pracy badawczej były prezentowane na międzynarodowych konferencjach (Nuclear Science Symposium [4], International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Mixed Design of Integrated Circuits and Systems a także na regularnych spotkaniach grupy CBM Collaboration etc.

Wyniki prac badawczych przedstawionych w rozprawie doktorskiej zachęciły do realizacji dalszych badań w kierunku wykorzystania metody ToT dla detektorów o dużej pojemności. Nowe pomysły w tym obszarze są aktualnie obiektem badań realizowanych przez doktoranta w ramach przyznanego mu grantu NCN.

2012/kasinski/start.txt · ostatnio zmienione: 2012/10/08 11:34 przez Krzysztof Kasiński