E!11309 A disruptive new EDXRF detector system

Ved utgangen av 2018 har ligger dette prosjektet an i henhold til plan. Den største og mest krevende aktivitet har vært å designe kjerneelementet i prosjektet, den integrerte kretsen (ASIC-en) som skal forprosessere signalene fra røntgensensoren. Denne utviklingen er nå i rute på tross av mye ekstra innsats på grunn av at vi har måttet bytte prosess for ASIC produksjonen. Vi har også fått på plass den grunnleggende arkitekturen for digitalisering og datautlesning, og EU partneren i prosjektet er nå ferdig med det konseptuelle designede av det hermetiske kjølesystemet og simuleringer av dette. Ved utgangen av 2019 så er dette prosjektet rute mht. elektronikk og mekanikk som skal utvikles. Den mest omfattende elektronikkutviklingen, ASIC-en, er ferdig produsert og testing er påbegynt, men vi har støtt på problemer i denne testingen. De meste fungerer som det skal og den har også vist god og riktig analog respons i enkeltpiksler, men vi har et problem med denne responsen når alle 1400 pikslene skal operere sammen. Vi har ennå ikke identifisert årsaken til dette, noe som ofte kan være komplisert ved slike svært store og kompliserte analoge kretser. Testingen pågår og vi har gjort to spesielle grep så langt; 1) Vi har hentet inn ny wafer fra fabrikken hvor et spesielt topplag vi la på for flip-chip (bump-bonding) montasje, er fjernet i håp om at dette kunne være årsaken (noe det ikke var), og 2) vi flip-chip monterer i skrivende stund sensorer på noen ASIC-er (hos Hamamatsu, Japan) slik at vi kan teste disse med ekte røntgen signaler, i håp om at vi i alle fall vil komme nærmere årsaken ved dette. Testing ved hjelp av sistnevnte har ennå ikke startet da vi i skrivende stund venter på at disse sensor-ASIC modulene vil ankomme i desember. Resten av mekanikk og elektronikk -utviklingen fortsetter i parallell og er ellers på skinner. Dette prosjektet ble offisielt avsluttet ved utgangen av mars 2020. Prosjektet tok sikte på å utvikle et nytt detektorsystem for ("energy dispersive") røntgenfluorescensanalyse (EDXRF) med bedre følsomhet og en størrelsesorden raskere enn dagens moderne teknologi. Prosjektpartner BSI har gjennomført utviklingen i henhold til planen og målsettingene. Utviklingen til Enxense har også blitt utført i henhold til målsetningene, men det har vært store utfordringer med utførelsen av fundamentalt viktige ASIC-en. Dette tvang frem en endring i utviklingsprioriteringene i fjor - mot mye mer innsats enn planlagt for å prøve å få denne ASIC til å fungere fullt ut. Vi har gjort store fremskritt med dette, men oppnådde ikke full suksess før dette Eurostars-prosjektet ble avsluttet. Derfor har vi så langt ikke nådd det endelige overordnede tekniske resultatmålet i prosjektet. Etter mye arbeid så greide vi mot slutten av prosjektet å få ASIC-en til å fungere noenlunde bra - men med ustabiliteter og ikke fullkomment. Ved en forlengelse av prosjektet så ville det være mulig - basert på den ytelsen vi til slutt greide å få ASIC-en til å levere - å ferdigstille et fungerende EDXRF-instrument, i form av en prototype med brukbar ytelse. Men det er nok ikke realistisk at denne ASIC-en ville kunne brukes i et salgsprodukt. Etter måneder med testing har vi ennå ikke klart å finne den underliggende årsaken til ASIC-problemet. Dette er et stort tilbakeslag for mulig fortsettelse av prosjektet fordi inntil man vet hva som må forbedres, så kan det heller ikke fikses. Dette er et klassisk problem i avansert ASIC-design ved stor chiper. I denne ASIC-en ble betydelige testmekanismer innebygd i designet, men problemets opprinnelse er enda dypere inne i pikselen enn vi klarer å probe ved hjelp av dette. Vi observerer svingninger men vi kan ikke studere dem direkte, og simuleringer avslører ikke problemene. Det er laget en omfattende teknisk rapport som gir full oversikt over prosjektets prestasjoner og utfordringer. Den nåværende finansieringen av dette prosjektet slutter med avslutningen av Eurostars-prosjektet, og det er i øyeblikket uklart om ytterligere finansiering kan bli funnet for en videreføring.

The project has resulted in increased technical know-how (in particular of a new CMOS process and low noise signal processing). It also has resulted in increased experience with international R&D cooperation. Quite late in the project however we hit a technological roadblock with the all important central ASIC - which we could not fully solve before the project ended, and so the overall goal of developing a fully working complete EDXRF analyzer was not reached. Since we was not able to identify the rood cause of this roadblock, finding more funding to continue this project is uncertain.

This project is about performing the research and development required to realize the primary and secondary objectives described in the previous section. It involves a thorough understanding of the detection technologies used in X-ray fluorescence (XRF) material analysis and how our new technology ideas can improve this and thereby create a market for a new product. The project involves the developments of i) a novel kind of a hybrid pixel detector consisting of a 2D matrix pixel-ASIC in a bump-bonded sandwich with a matched pixel Silicon-sensor which will be developed in this project. It also involves ii) a highly integrated controller and high-speed data-acquisition system to control and read out the X-ray data from the detector, iii) a customized cooled hermetic chamber to cool and enclose the detector, iv) a customized mechanical enclosure of the system, v) customized software and firmware to operate the system and to present the data, that also will be developed in this project. Thorough testing of the system at ultra-high X-ray florescence rates to demonstrate the results is also an integral part of this project.