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ILC 衝突点ビーム形状モニタ“ペアモニタ ” のための読み出し回路の開発

ILC 衝突点ビーム形状モニタ“ペアモニタ ” のための読み出し回路の開発. 2010/02/17 ICEPP symposium 東北大学 M2 佐藤 優太郎. 目次. イントロ ILC ペアモニタ ペアモニタのための読み出し回路の開発 要求性能 読み出し回路の試作 試験結果 まとめ. ILC 加速器. 電子・陽電子 衝突型 線形 加速器 重心系エネルギー : 最大 500 GeV ( アップグレード ~ 1 TeV) 積分ルミノシティ (4 年間 ) : 500 fb -1. 制動放射の影響を受けない. クリーンな環境で精密測定.

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ILC 衝突点ビーム形状モニタ“ペアモニタ ” のための読み出し回路の開発

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Presentation Transcript

  1. ILC 衝突点ビーム形状モニタ“ペアモニタ”のための読み出し回路の開発 2010/02/17 ICEPP symposium 東北大学 M2 佐藤 優太郎

  2. 目次 • イントロ • ILC • ペアモニタ • ペアモニタのための読み出し回路の開発 • 要求性能 • 読み出し回路の試作 • 試験結果 • まとめ

  3. ILC 加速器 • 電子・陽電子衝突型線形加速器 • 重心系エネルギー : 最大 500 GeV (アップグレード ~ 1 TeV) • 積分ルミノシティ(4 年間) : 500 fb-1 制動放射の影響を受けない クリーンな環境で精密測定 減衰リング 衝突点 陽電子源 電子源 陽電子用主線形加速器 電子用主線形加速器 ILD SiD 測定器×2 2 つの 測定器案

  4. ILD 測定器 日本グループはILD　測定器を開発。 要求性能 • ジェットエネルギー分解能 : σEj/Ej < 3.8% (ECM ~ 90GeV) • W→qq, Z→qq 事象の区別 • 運動量分解能: σ(1/pt) < 2x10-5 (GeV/c)-1 • ジェット中の荷電トラックの識別 • 崩壊点分解能: σrφ < 5 + 10/(pβsin3/2θ) (μm) • フレーバータグ

  5. ILD 測定器 ECAL Particle Flow Algorithm • ジェット中の粒子を個別に再構成して、 要求されているジェットエネルギー分 解能を達成。 • 荷電粒子 → 飛跡検出器 • 中性粒子 →カロリーメータ 要求性能 • ジェットエネルギー分解能 : σEj/Ej < 3.8% (ECM ~ 90GeV) • W→qq, Z→qq 事象の区別 • 運動量分解能: σ(1/pt) < 2x10-5 (GeV/c)-1 • ジェット中の荷電トラックの識別 • 崩壊点分解能: σrφ < 5 + 10/(pβsin3/2θ) (μm) • フレーバータグ TPC HCAL

  6. ILC で期待される物理 ヒッグスの精密測定 • 質量 (ee → ZH) • レプトンペアから再構成したZ の 反跳質量によって求められる。 • 崩壊分岐比 (ee → ZH) • ヒッグスの崩壊粒子を同定して解析。 • ヒッグスメカニズムの検証。 • 自己相互作用 (ee → ZHH) • フレーバータグによって、バックグランド (ee → tt) を抑えることで測定可能に。 新物理 • SUSY, リトルヒッグス、 余剰次元(右巻きニュートリノなど) … 　　　　　　　　　　　　　次の発表(齋藤) で。 ℓ,n,q Z e Z* ℓ,n,q e ee → ZH H ee → ZHH Z e Z* H e H

  7. ILC 加速器 • 電子・陽電子衝突型線形加速器 • 重心系エネルギー : 最大 500 GeV (アップグレード ~ 1 TeV) • 積分ルミノシティ(4 年間) : 500 fb-1 • ビームサイズ: (σx, σy, σz) =(639 nm, 5.7 nm, 300 μm) → 高ルミノシティを維持するには、 衝突点でのビームの状態を把握することが重要 衝突点 減衰リング 陽電子源 電子源 陽電子用主線形加速器 電子用主線形加速器 衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」

  8. 衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 測定原理 • ビーム衝突時にe+e-ペアが大量に生成(ペアバックグランド)。 • バンチの作る電磁場によりe+e-ペアが散乱される。 • 対向するバンチと同電荷の粒子が大きく散乱する。 • 受ける力の大きさ : eE(1+ββb) 散乱 e- e+ E=γE’ B = γβbE’ 振動 e+ e- e-バンチ e+バンチ (速度βb) (バンチ静止系での電場 E’) 対向するバンチと同電荷の粒子がビーム情報を持つ。

  9. 衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 測定原理 (続き) • e+e-ペアを検出して、そのヒット分布からビームサイズ測定を行う。 特徴 • 非破壊型ビームモニタ • 加速器の運転への素早いフィードバックが可能 デザイン • 単層のシリコンピクセル検出器 電子・陽電子の ヒット分布 e+ 10 ペアモニタ e+ Y [cm] e- beam e+ beam e- 0 e- 磁場 ビームパイプ -10 -10 0 10 X[cm] 半径 : 10 cm ピクセルサイズ : 400μm × 400μm センサー厚さ : 200 μm

  10. 目次 • イントロ • ILC • ペアモニタ • ペアモニタのための読み出し回路の開発 • 要求性能 • 読み出し回路の試作 • 試験結果 • まとめ、今後のプラン

  11. 読み出し回路への要求性能 電子・陽電子ペアのヒット分布を取得するために必要となる、 センサーからの信号を処理する読み出し回路を開発。 要求性能 1. 時間分解能 : 3.8 MHz 以上 (バンチ間隔以上) 2. 雑音レベル : 1000 電子以下 (信号レベルは15,000 電子) 3. 放射線耐性 : 数Mrad / year 以上 4. トレイン内の場所に依存したビームサイズ測定 → トレインを16 分割 して(~164 バンチ)、それぞれの部分で計数して、 トレイン間(~200 ms) に読み出しを行う方式を採用。 ILCのビーム構造 1 トレイン = 2625 バンチ ………………… … [ [ [ 1 2 16 ~ ~ これらの要求性能を満たすように回路の設計・製作を行った。 1 ms 200 ms

  12. SOI 技術を用いた読み出し回路の開発 SOI-CMOS プロセスを用いて読み出し回路を試作した。 SOI(Silicon On Insulator) pixel detector • KEK のSOI pixel グループが開発中の、 センサーと読み出し回路を同一ウェハ上に成型する一体型検出器 • バンプボンディング不要 • 高速化 • 低消費電力 • 低物質量 • MPW(Multi Project Wafer) run に参加して、試作。 • 今回は読み出し回路部のみ試作。 読み出し回路(Si) 埋め込み酸化膜 (SiO2) サブストレート層 (センサー)

  13. 試作した読み出し回路 回路のレイアウト • 製造プロセス : FD-SOI CMOS 0.2 μm • チップサイズ : 2.5 x 2.5 mm2 • ピクセル数 : 9 (3x3) • ピクセルサイズ : 390 x 350 μm2 • 試験的に、ピクセルごとに異なる検出器 容量を負荷 読み出しピクセル 入力 オフセット電圧調整回路 増幅器 コンパレータ アナログ回路部 デジタル回路部 カウント・レジスタ 1 カウント・レジスタ 2 … 出力 8ビット・カウンタ カウント・レジスタ 16 試作した回路の動作試験、性能評価、放射線試験を行った。

  14. 増幅器の出力確認 増幅器の出力を確認した。 アナログ回路 前置 増幅器 整形 増幅器 オフセット電圧調整回路 コンパレータ テストパルスのタイミング テストパルスのタイミング 低増幅率(Cf = 0.1 pF) ポールゼロ補償 ON 高増幅率(Cf = 0.05 pF) 200 ns 20 mV 20 mV ポールゼロ補償 OFF 400 ns 正常な増幅器の出力を確認できた。

  15. オフセット電圧調整回路 • ピクセルごとのオフセット電圧のばらつきを打ち消すために、 オフセット電圧が調整できるようになっている。 アナログ回路 前置 増幅器 整形 増幅器 オフセット電圧調整回路 コンパレータ オフセット電圧のばらつき コンパレータ 整形増幅器 供給 5 bit DAC 引き抜き 60 mV のばらつき オフセット電圧 [mV] 引き抜き 5 bit DAC 供給

  16. オフセット電圧調整回路 アナログ回路 前置 増幅器 整形 増幅器 オフセット電圧調整回路 コンパレータ オフセット電圧調整結果 想定している動作 オフセット電圧[mV] コンパレータ 整形増幅器 供給 5 bit DAC 引き抜き DACへの入力値 引き抜き 設計通りのオフセット電圧調整ができていないことが確認された。 → 次回試作の課題 5 bit DAC 供給

  17. 8 ビット・カウンタの応答 カウンタの応答を確認した。 • グレイ・コードを使用している。 (特徴 : 常に1ビットしか変化しない) デジタル回路部 カウント・レジスタ x16 8ビット・カウンタ テストパルスのタイミング Q1 Q2 Q3 正常なカウンタの動作を確認した。

  18. ヒット数の読み出し カウントレジスタを切り換えながら、テストパルスを入力して、 ヒット数を読み出した 。 1つのカウント・レジスタの出力 (他のカウント・レジスタも同様の結果) 読み出しピクセル TP入力 アナログ回路 カウンタ カウント・レジスタ 1 カウント・レジスタ 2 @4 MHz … 読みだされたヒット数 カウント・レジスタ 16 要求されている計数率(~3.8 MHz) で、 正しいヒット数を読み出せることが確認できた。 入力テストパルス数

  19. 雑音評価 等価雑音電子数を見積もり、雑音を評価する。 しきい値スキャン • コンパレータのしきい値を変えながら、 計数効率を測定し、誤差関数でフィットした。 → 等価雑音電子数 (= 雑音σ / 増幅率) を求めた。 誤差関数 傾き→増幅率 Vth [mV] 計数効率 正電荷 (2.64 μV/e) σ = 0.756 mV 雑音σ Vth 負電荷 (3.14 μV/e) Vth=-126 mV 入力電荷 [103 e] しきい値電圧 [mV]

  20. 等価雑音電子数 すべてのピクセルの雑音レベルを測定して、 雑音の検出器容量依存性を調べた。 正電荷 等価雑音電子数 負電荷 TSPICE Simulation 検出器容量 [pF] 雑音レベルの要求性能(1,000 電子以下) を 満たしていることが確認できた。

  21. ノイズの安定性 増幅器の時定数を変化させた時の 雑音の変化を調べた。 前置増幅器の時定数 (VGGP) 整形増幅器の時定数 (VGGS) ( VGGP = -200[mV] ) ( VGGS = 80[mV] ) 雑音 [e] 雑音 [e] 設計値 設計値 雑音は急激には増えていない(安定している)。 VGGS [mV] VGGP [mV]

  22. 放射線耐性試験 試作回路にX線を照射して、放射線耐性を調べた。 • X線発生装置 : FR-D (リガク社) @KEK PF • 標的 : Cu (~8 keVの光子) • 照射量 : 最大2 Mrad 放射線効果 • シングルイベント • 入射粒子によって生じる 一時的な電流による不具合。 → SOI は高耐性。 • トータルドーズ • 絶縁層に蓄積する電荷による影響 • 照射量に比例 ~40 nm 200nm ~260 μm + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + ++ VSUB サブストレート層の電位Vsubによるトータルドーズ補償効果を観測

  23. 前置増幅器の信号波形 照射前後及びVsub補償時で、前置増幅器の信号波形を観測した。 • 照射するにつれて、波高及び時定数が小さくなった。 照射前 300 krad 照射後 1μs テストパルスのタイミング 10 mV 照射 Vsub補償 前置増幅器出力 (Vsub = -1.65 V) (Vsub = -1.65 V) (Vsub = -4.72 V) サブストレート層の電位Vsubの補償により、 照射前の信号波形に近い形に戻っている。

  24. しきい値スキャン 照射前後及びVsub補償時で、しきい値スキャンを行い、 増幅率、等価雑音電子数の変化を調べた。 300 krad 照射後 2 Mrad 照射後 照射前 Vsub補償 等価雑音電子数 [e] 100 krad 照射後 誤差関数の中央値 Vth [mV] 100 krad 照射後 Vsub補償 2 Mrad 照射後 照射前 300 krad 照射後 検出器容量 [pF] 入力電荷 [103 e] 2 Mrad までの放射線耐性があることを確認できた。 サブストレート層の電位Vsubの補償により、 照射前の増幅率、等価雑音電子数に回復している。

  25. まとめ ILC 衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 のための読み出し回路の 開発を行っている。 • SOI-CMOS プロセスで読み出し回路を試作した。 • 動作試験、雑音評価、放射線試験を行って、 要求性能(計数率、雑音レベル、放射線耐性) を満たしていることを確認した。 • ただし、オフセット電圧調整回路は修正が必要。 • 放射線試験(ガンマ線) • センサー + 読み出し回路の試作。 今後のプラン

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