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Characterization, Operation and Wafer-level Testing of an ultra-fast 4k Pixel Readout ASIC for the DSSC X-ray Detector at the European XFEL

Soldat, Jan

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Abstract

The DEPFET sensor with signal compression (DSSC) project develops amegapixel X-ray camera dedicated for ultra-fast imaging at 4.5MHz frame rate at the European X-ray free electron laser facility in Hamburg. Further requirements are single photon resolution for so X-rays and a high dynamic range. The system concept includes a hybrid pixel detector, utilizing a non-linear DEPFET sensor. A dedicated readout ASIC allows full parallel readout of a 64 x 64 sensor pixel matrix by in-pixel filtering, immediate analog-to-digital conversion and storage. This thesis presents the ASIC working principle, architecture and the design of a test environment as well as test results of the electronics. Possible improvements of the circuits are highlighted. Measurements on sensor and ASIC assemblies are shown verifying the low noise and high dynamic range properties. The implementation of large scale tests for Known Good Die selection is reported. An introduction to free electron lasers and photon detection principles is included to put the DSSC system into the scientific context.

Translation of abstract (German)

Das DEPFET sensor with signal compression (DSSC)-Konsortium entwickelt einen 1-Megapixel-Detektor für den Einsatz am europäischen Freie-Elektronen-Laser in Hamburg. Die Anforderungen für das Detektorsystem umfassen unter anderem eine Bildwiederholrate von 4.5MHz, Auflösung von einzelnen Röntgenphotonen sowie einen hohen dynamischen Bereich. Hierzu wird ein hybrides System eingesetzt, bei dem jeder Pixel der nicht-linearen DEPFET-Sensoren mit einem Kanal auf dem Auslese-ASIC verbunden wird. Jeder der 4096 Pixel auf dem ASIC filtert das Eingangssignal, digitalisiert es und speichert den Wert lokal im Pixel, wodurch eine parallele Auslese der gesamten Sensormatrix erreicht wird. In dieser Arbeit wird das Design der Ausleseelektronik sowie deren Testumgebung und Verifikationsergebnisse erläutert mit Fokus auf mögliche Verbesserungen der Elektronik. Messungen an ersten vollformatigen Sensor- und ASIC-Baugruppen werden vorgestellt mit Fokus auf das geringe Rauschen bei einem hohen dynamischen Bereich. Zudem wird eine Prozedur für die Auswahl von ASICs in großer Zahl für den Einbau in das finale System veranschaulicht. Um den wissenschaftlichen Rahmen für das DSSC-System zu erläutern, ist eine Einführung in Freie-Elektronen-Laser sowie in den Nachweis von Photonen enthalten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fischer, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 24 January 2018
Date Deposited: 02 Feb 2018 11:13
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Institut f. Technische Informatik (ZITI)
Subjects: 000 Generalities, Science
004 Data processing Computer science
530 Physics
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