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ATLAS実験アップグレード用ピクセル検出器の性能評価に向けて
大阪大学 荒井泰貴
花垣和則、J.J. Teoh、M. Garcia-SciveresB、海野義信A、池上陽一A、寺田進A、田窪洋介A、陣内修D、高嶋隆一C、
他アトラス日本シリコングループ
阪大理、高エネ研A、LBNLB、京都教育大C、東工大D
ピクセル検出器
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- ATLAS検出器• CERNのLHCに設置されている汎用粒子検出器
ATLAS検出器もアップグレード
•LHC : 高ルミノシティ化を目指したアップグレードを予定
-ピクセル検出器のアップグレード2022年設置・搬入を目指し新たな読み出しASIC、センサーを開発
アップグレード用センサー
3
-高ルミノシティ化に耐えうる
• 占有率の低下
➡ピクセルの細分化 :
50x400 → 50x250 μm2
• 放射線耐性 : 放射線量 1x1015 neqcm-2 → 2x1016 neqcm-2
➡n-on-p 型センサー
等の向上が必要
ピークルミノシティ : 1x1034 cm-2s-1 → 5x1034 cm-2s-1
積分ルミノシティ : 300 fb-1 → 3,000 fb-1
n+ 層
p 層p+ 層
n-on-p型センサー
アップグレード用センサー
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-高ルミノシティ化に耐えうる
• 占有率の低下
➡ピクセルの細分化 :
50x400 → 50x250 μm2
• 放射線耐性 : 放射線量 1x1015 neqcm-2 → 2x1016 neqcm-2
➡n-on-p 型センサー
等の向上が必要
ピークルミノシティ : 1x1034 cm-2s-1 → 5x1034 cm-2s-1
積分ルミノシティ : 300 fb-1 → 3,000 fb-1
課題 n+ 層
p 層p+ 層
n-on-p型センサー
アップグレード用センサー開発
-放射線量に対する依存性測定
• 検出効率
• 電荷収集効率
• 電流電圧特性
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β線やビームを使った試験
• β線源を用いた試験のためのDAQシステムの準備
• 試験の現状報告
本発表の内容
試験用ピクセル検出器-シリコンセンサー
• ピクセルサイズ : 50 x 250 μm2
• センサー厚 : 320 μm
• n-on-p 型
-信号読み出しASIC FE-I4
• チップサイズ : 20.0 x 18.6 mm2
• 80 columns x 336 rows
• データレート : 160 Mb/s
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試験用ピクセル検出器
ASIC + センサー
DAQ システム
- DAQ system
7
読み出しボード
試験用ピクセル検出器
PC
-新ピクセル用 ASIC (FE-I4) の DAQシステム
• KEKと阪大で共同開発 → 次講演
• センサーからの読み出しはまだ
外部トリガーの使用
測定セットアップ
8
e-
β source (90Sr)
Si sensorASIC
PMT + Scintillator (Trigger)
（全体を暗箱で覆う）
読み出しボードASIC + sensor
Command/Data
Trigger
β線源を使った測定
Collimator (25 mm, Φ = 1.5 mm)
(10 mm x 10 mm)
Al (0.5 mm)
外部トリガー機能追加
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• PMTからのトリガー信号をNIMで読み出しボードへ
• firmwareでLV1 commandを生成
• 検出器へ送信
trigger LV1
e-
トリガータイミング調整
10
e-
...Clock
Hit pulse
LV1
...
...
? clockDiscriminator, cable, firmwareなどによるズレ ヒットとトリガーの
タイミング不明最適なタイミングを探す
Latency (clock) Efficiency (%)234 0235 25236 95237 11238 0
タイミング決定ASICに値を設定
チューニング
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htempEntries 25506Mean 4998RMS 66.33
th4000 4500 5000 5500 60000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
htempEntries 25506Mean 4998RMS 66.33
th
Entries 1344
Pixel Mean TOT (BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900Entries 1344Entries 1344
target threshold : 5000e
target ToT : 7@20,000 e
threshold [e]
#ent
ries
ToT [ x 25 ns]
#ent
ries
• ピクセルごとにthreshold、ToTを調整し、設定したい値に揃える
ToT : Time over Threshold
threshold
ToT
Threshold
threshold
50 %
injected charge
effic
ienc
y
β線に対する反応
12
Hit map
Entries 974
TOT(unit: BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
50
100
150
200
250
Entries 974TOT_FEI4-A_#0
Column
10 20 30 40 50 60 70 80
Row
50
100
150
200
250
300
Entries 974
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Entries 974Hitmap (FEI4-A_External_Trigger_Test)
ToT distributionEntries 974
TOT(unit: BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
50
100
150
200
250
Entries 974TOT_FEI4-A_#0
Column
10 20 30 40 50 60 70 80
Row
50
100
150
200
250
300
Entries 974
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Entries 974Hitmap (FEI4-A_External_Trigger_Test)
β線を検出できているセンサーからの信号読み出しに成功
-外部トリガーによる Hit map
• 予想されるビームサイズの大きさと一致
-トリガー用シンチレータのシングルレート（線源なし） : 0.01 Hz
-ランダムトリガー x 100,000 → ヒットなし 20 mm
18.8
mm
コリメータから予想される範囲
β線に対する反応-遮蔽物を置く
• 8.5 mm 鉄板
• コリメータなし
13
Entries 10810
TOT(unit: BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
500
1000
1500
2000
2500
Entries 10810TOT_FEI4-A_#0
Column
10 20 30 40 50 60 70 80
Row
50
100
150
200
250
300
Entries 10810
0
1
2
3
4
5
6
7
Entries 10810Hitmap (FEI4-A_External_Trigger_Test)
Entries 10583
TOT(unit: BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
500
1000
1500
2000
2500
Entries 10583TOT_FEI4-A_#0
Column
10 20 30 40 50 60 70 80
Row
50
100
150
200
250
300
Entries 10583
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Entries 10583Hitmap (FEI4-A_External_Trigger_Test)
Row
Column
Column
Row
鉄板
予想される通りのhit map
遮蔽無し
遮蔽有り
Bias 電圧依存性- HV scan
• 予想通りの依存性が見える
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Voltage [V]
Effic
ienc
y [%
]
HV scan (Efficiency)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Graph
Voltage [V]
ToT
mea
n [x
25 n
s]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
20
40
60
80
100
Graph
HV scan (ToT)
結論-外部トリガーでLV1信号を出力する機能をDAQシステムに追加
- β線源を用いて試験
• センサーからの信号を検出
-展望
• Charge Collection Efficiencyの理解
• irradiated sensorの試験
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Backup
FE-I4
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Front End ASIC
FE-I4 Single Chip Card (SCC)
80 columns, 20 mm
FE-I4
336 rows,18.6 mm
pixel size : 50 x 250 μm2
チューニング
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target threshold : 5000e
target ToT : 7@20,000 e
GDAC, IF : 全体の大まかなthreshold, ToT
TDAC, FDAC : pixelごとの細かなthreshold, ToT
GDAC tune
IF tune
TDAC tune
FDAC tune
x 3
FDAC tune後にthresholdがずれた本来はTDAC tuneをもう一度( )
htempEntries 25506Mean 4998RMS 66.33
th4000 4500 5000 5500 60000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
htempEntries 25506Mean 4998RMS 66.33
th
after TDAC tune
Entries 1344
Pixel Mean TOT (BC)2 4 6 8 10 12 14 16
#ent
ries
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900Entries 1344Entries 1344
before FDAC tune
threshold
#ent
ries
ToT
#ent
ries
ピクセル検出器アップグレード-ピクセル検出器
• 最内層、衝突点に近い
• 高い位置分解能
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