Development of the Readout Electronics of the Silicon Charge Detector for the CREAM mission

Abstract

CREAM (Cosmic Rays Energetics And Mass) 실험은 ~10^(15) eV 에너지를 갖는 우주선(Cosmic rays) 입자들의 성분과 에너지를 측정하는 것이다. 이를 위해 Long Duration Balloon flight 기술을 이용하여 2004년부터 2010년까지 5 ~ 10 차례에 걸쳐 남극 상공에서 CREAM 탑재체를 띄울 예정이다. 기구를 이용한 첫 번째 실험은 2004년 12월에 이루어졌고, 2005년 겨울에 이루어질 두 번째 실험을 위해 CREAM-II가 준비 중에 있다. CREAM 탑재체 중 SCD (Silicon Charge Detector)는 우주선 입자의 성분을 측정하기 위해 만들어졌다. SCD는 우주선 입자가 지나갈 때 전류가 흐름으로써 신호를 만들어 내는 실리콘 센서와 센서로부터 나오는 신호를 읽고 처리하기 위한 일렉트로닉스, 그리고 구조물을 보호하기 위한 지지대로 구성되어 있다. CREAM-II, SCD는 좀 더 정확한 성분 측정을 위하여 SCD가 하나 더 추가된, 더블 레이어 구조를 갖는다. 우주선 입자가 센서를 지나가면서 만들어내는 신호는 wedge wire bonding 방법을 이용하여 연결된 직경이 약 25um의 알루미늄을 통해 일렉트로닉스에 보내진다. 이 신호는 아날로그 일렉트로닉스를 통해 DC 레벨로 변환 및 증폭되고, 디지털 일렉트로닉스를 지나면서 디지털 값으로 변환되어 컴퓨터에 저장된다. 개발된 CREAM-II SCD는 2004년 9월 CERN에서 직접 빔을 쏘여 테스트되었다. 그 결과 예측한 신호를 명확하게 볼 수 있었다. 이 후 검출기는 메릴랜드 대학교로 옮겨져 2005년 겨울에 있을 2차 비행을 위해 CREAM-II의 다른 검출기들과 조립되었다. 이 논문에서는 센서와 구조물, 검출기의 조립에 대해서 서술하고 특히 신호처리를 위한 일렉트로닉스의 디자인과 테스트, 디버깅에 대해서 자세히 기술할 것이다. 그리고 SCD-II 빔 테스트와 첫 번째 실험에 대해서도 보여줄 것이다.;The cosmic ray energetics and mass (CREAM) project is designed to measure the composition of the cosmic ray up to the energy of 10^(15) eV. The CREAM payload is planned to fly about 5 ~ 10 times from 2004 to 2010 at the top of Antarctica atmosphere in the long duration balloon flights. The first flight, CREAM-I was launched in December, 2004. CREAM-II of the second flight in the winter of 2005 is under preparation. The goal is to observe the cosmic ray spectral features that might signify a limit to supernova acceleration. A silicon charge detector (SCD) is designed and constructed for the CREAM experiment to measure precisely the charge of incident cosmic ray particles. The SCD is composed of silicon sensor, readout electronics, and mechanical support structure. For CREAM-II, the SCD has been upgraded with new design that includes a new layer of the detector plane for the improved performance of charge measurement. The post-management of silicon sensor for the SCD, includes wire bonding and glob-top. For wire bonding, wedge bonding method was used. Then searching and testing for the suitable glob-top material were done. And the development, test, and debugging for the readout electronics were carried out. Each analog readout electronics holds seven silicon sensor modules. One VLSI chip - CR1.4 ASIC that has 16 channels handles one sensor of 16 pixels. Analog signals of 32 channels are digitized by an ADC. We carried out in the beam tests to check the performance of CREAM-II SCD. Test was performed at CERN in September, 2004. Electron, muon, and pion beams were exposed to the SCD. Well-defined signals were observed. We participated in the activity of full assembly SCD for the second flight. The status of the SCD and the preparation of the SCD-II, including the fabrication of silicon sensors, construction of the mechanical support structure, and full integration are described. Especially readout electronics that have been in charge of is described in detail for design, tests, and debugging. And the results of beam test and the first flight are also shown.