面向伽玛射线太空望远镜的高压 CMOS 活动像素传感器 AstroPix 性能评估

AstroPix 是一种新型单晶高压 CMOS 活动像素传感器，旨用于下一代中能量伽马射线天文台，如 All-sky Medium Energy Gamma-ray Observatory eXplorer (AMEGO-X)。在 AMEGO-X 条件下，AstroPix 必须在像元间距最高达 $500~\rm{\mu m}$ 的情况下保持功耗低于 $1.5~\rm{mW/{cm}^2}$。我们开发了 AstroPix2 和 AstroPix3 两个版本。AstroPix2 和 AstroPix3 的功耗分别为 $3.4~\rm{mW/{cm}^2}$ 和 $4.1~\rm{mW/{cm}^2}$。AstroPix2 的像元间距为 $250~\rm{\mu m}$，而 AstroPix3 实现了 AMEGO-X 所需的尺寸，像元间距达到 $500~\rm{\mu m}$。对 AstroPix2 芯片上单个像元的性能评估显示，其动态范围从 13.9 keV 到 59.5 keV，能量分辨率符合 AMEGO-X 目标值（$<10\%$ (FWHM) 于 60 keV）。我们对 AstroPix3 芯片上大多数像元进行能量校准，结果显示其在 59.5 keV 处的平均能量分辨率为 6.2 keV (FWHM)，且 44.4% 的像元满足目标值。AstroPix3 的动态范围 assessed 从 22.2 keV 到 122.1 keV。两款 AstroPix2 和 AstroPix3 的富集层扩张均符合预期。此外，我们对 AstroPix 进行了辐射容忍性测试。一枚 AstroPix2 芯片接受约等效 10 Gy 的高强度 $\rm{^{60}Co}$ 源照射后仍可完全工作，尽管观察到约 4% 的增益下降。