PicoAD отмечает частицу за 12 пс, расплачиваясь теплом фронтенда

Частица оставляет в кремнии крошечный заряд, а пороговый дискриминатор обязан решить, в какой именно момент этот заряд появился. Слабый импульс пересекает порог позже сильного, даже если обе частицы прилетели одновременно. На этом time walk обычно теряются пикосекунды. PicoAD сумел оставить после коррекции 12.1 пс, однако это число описывает целую измерительную систему, а не одиночный «быстрый сенсор».

В опубликованном beam test использовали матрицу 12×12 монолитных гексагональных пикселей с pitch около 100 мкм, изготовленную по 130-нм SiGe BiCMOS. При 180 В внутренняя gain layer давала оценочный электронный gain около 50. Через детектор пропускали пучок пионов CERN SPS с импульсом 120 ГэВ/c при температуре кристалла −5 °C. Эффективность регистрации в этой точке достигла 99.99%.

Пикосекунды покупаются током

Сначала один аналоговый пиксель выдавал 24.3±0.2 пс: время прихода определялось пересечением фиксированного порога. Затем для событий с разной амплитудой построили задержку относительно MCP-референса, аппроксимировали её по амплитудным бинам и вычли зависимость. После такой коррекции получились 12.1±0.3 пс; вклад MCP-референса, 5.4±0.4 пс, вычитали квадратично. В распределении при этом оставались поздние негауссовы хвосты на уровне 2–10% событий, поэтому цифра характеризует гауссово ядро после отбора и коррекции.

Поле внутри пикселя тоже участвует в отсчёте

Самая наглядная часть эксперимента — кривая «мощность против времени». При 180 В фронтенд с плотностью мощности 0.05 Вт/см² давал 41.6 пс после коррекции. На 0.3 Вт/см² результат улучшался до 18.8 пс, а режим 2.6 Вт/см² принёс 12.1 пс. Более мощный SiGe-фронтенд быстрее наращивает сигнал над шумом у входа дискриминатора, поэтому разброс момента срабатывания сужается. В большой пиксельной плоскости эти 2.6 Вт/см² превращаются в задачу распределения питания, отвода тепла и механики охлаждения.

От осциллографа к полноценной матрице

Поле внутри пикселя тоже участвует в отсчёте. В новом образце область поглощения имела толщину 5 мкм, drift layer — 15 мкм. Увеличение дрейфового слоя и сопротивления активного кремния сделало отклик заметно ровнее, чем у раннего proof-of-concept: ухудшение timing от центра к краю здесь составило около 3 пс. Оно всё ещё различимо и показывает, что геометрия пикселя остаётся частью временного тракта.

Результат 12.1 пс был опубликован в 2025 году и вновь показан на PIXEL2026 как часть обновления проекта MONOLITH. Свежая, пока предварительная, радиационная серия сообщает разрешение около 14 пс и эффективность, совместимую с 99.8%, до fluence 1×10^15 neq/см² при плотности мощности фронтенда до 1.0 Вт/см². Эти измерения ещё не заменяют полный опубликованный набор данных.

Есть и следующий инженерный барьер. В beam test аналоговый выход одного пикселя оцифровывали внешним осциллографом с полосой 4 ГГц и частотой дискретизации 40 GS/s. Интегрированный TDC, цифровой readout всего массива, шумы питания и тепло большой площади пока не доказали сохранение тех же 12 пс. Но PicoAD уже даёт редкую честную картину: точность временной метки рождается одновременно в лавинном слое, аналоговом усилителе, пороге, алгоритме коррекции и тепловом бюджете.