国際リニアコライダーのための 衝突点ビーム形状モニタの研究開発 ~ Research and development of an interaction-region beam profile monitor for the interaction linear collider ~ 佐藤 優太郎 イントロダクション 国際リニアコライダー ペアモニタ 研究内容 ビームサイズ測定方法の研究 ペアモニタのための読み出し回路の開発

国際リニアコライダー (ILC) 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 電子源 陽電子源 陽電子用主線形加速器 電子用主線形加速器 衝突点 減衰リング 衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」

衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 測定原理 ビーム衝突時に電子・陽電子ペアが大量に生成。 バンチの作る電磁場により電子・陽電子ペアが散乱。 → 散乱された電子・陽電子ペアがビーム情報を持つ。 ビームパイプ 電子・陽電子の ヒット分布 -10 10 X[cm] Y [cm] ペアモニタ e+ beam e- beam 磁場 e+ e-

衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 バンチの電磁場による散乱 E=γE’ e- e+ B = γβbE’ 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 (バンチ静止系での電場 E’) 陽電子バンチ (速度βb) E=γE’ B = γβbE’ e+ e- 受ける力 : eE(1+ββb) 陽電子は斥力 → 散乱 電子は引力 → 振動 半径 : 10 cm ピクセルサイズ : 400μm × 400μm センサー厚さ : 200 μm

シミュレーションによるビームサイズ測定方法の研究

シミュレーションセットアップ パラメータ ペアモニタ 行列計算を用いた方法により、 ビームサイズ(σx, σy) とずれ(δy) を測定。 427.5cm 衝突点 パラメータ 重心系エネルギー : 500 GeV 交差角 : 14 mrad 磁場 : 3.5 T + anti-DID ツール : CAIN (電子・陽電子ペアの生成) 　　　　　 Jupiter (トラッキング) ビームサイズ : (σx, σy, σz) = (639 nm, 5.7 nm, 300 μm) バンチ当たりの粒子数 : 2 x 1010 BeamCal mask ペアモニタ 行列計算を用いた方法により、 ビームサイズ(σx, σy) とずれ(δy) を測定。 (要求精度 : ~10 % 以下) BeamCal (カロリーメータ) も用いて、 測定精度の向上を図った。 (セルサイズ5mm×5mm) σy×δy e- e+ σx σy

行列計算を用いたビームサイズ測定方法 測定変数のテイラー展開を用いて、ビームパラメータを測定する。 測定変数(M) ビームパラメータ(X) 2次の項 1次の項 逆行列を掛けて、ビームパラメータは求められる。 ビームパラメータに対して良い相関を示す測定変数を探した。

測定変数 1 : 総ヒット数 Nall 電子・陽電子ペアの数はルミノシティにほぼ比例するため、 総ヒット数Nall はビーム情報を持つ。 σy [nm] σx [nm] 639 702.9 798.75 958.5 総ヒット数Nall はσx とσy に大きく依存している。

測定変数 2 : 最大半径 Rmax 動径方向の分布がσx によって大きく変化する。 σy [nm] 5.7 11.4 17.1 σx [nm] 最大半径Rmax [cm] 半径 R [cm] σx [nm] 639 958.5 最大半径Rmax はσx に大きく依存している。

測定変数 3 : ヒット数の比 Nd/Nall σy が大きくなると、真上(下)方向に散乱される数が減少する。 e+ d f [rad] σy [nm] 5.7 11.4 17.1 e+ beam e- beam e+ f ヒット分布 d Nd/Nall σy [nm] σx [nm] 639 702.9 798.75 958.5 Nd/Nall を定義

測定変数 4 : ヒット数の比 NU/ND δy が大きくなると、上下で散乱される割合が変化する。 e+ U D NU/ND を定義 δy 0.4 1.0 f [rad] e+ beam e- beam e+ f U D NU/ND を定義 ヒット分布 NU/ND σy [nm] δy 0.2 0.4

ビームパラメータの再構成 定義した測定変数 測定変数を式に代入して、 2 次までのテイラー展開を用いて、ビームパラメータを測定する。 ペアモニタ BeamCal 総ヒット数 Nall 総エネルギー損失 Eall 最大半径 Rmax 平均半径 Rave ヒット数の比 Nd/Nall, NU/ND エネルギー損失の比 ED/Eall, EU/ED ルミノシティ 散乱の大きさ 散乱の方向 測定変数を式に代入して、 2 次までのテイラー展開を用いて、ビームパラメータを測定する。 測定変数(M)を代入 ビームパラメータ(X) テイラー展開の係数 A, B はフィットにより決める。

ビームパラメータの再構成精度 (50バンチのデータ) 逆行列を掛けて、ビームパラメータを求める。 計算方法 (0) (1) (n) … 右辺にもビームパラメータ(X) がある。 安定するまで、繰り返し計算する。 ビームパラメータの再構成精度　(50バンチのデータ) ペアモニタ BeamCal ペアモニタ + BeamCal σx 3.1 % 4.7 % 2.8 % σy 9.9 % 17.1 % 8.6 % δy 9.0 % 9.5 % 7.4 % ペアモニタのみの測定で要求精度(10 % 以下) を満たしている。 BeamCal と組み合わせることで精度が向上している。

ペアモニタのための読み出し回路の開発

[ ペアモニタのための読み出し回路 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。 回路設計の原案は池田博一氏(JAXA) による。 ………………… … 1 ms 200 ms [ 1 2 16 1 トレイン = 2625 バンチ ~ ILC のビーム構造 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。

製造プロセス SOI(Silicon On Insulator) pixel detector 2 つの異なる製造プロセスを用いて読み出し回路を試作した。 CMOS プロセス、SOI-CMOS プロセス (本発表では、SOI-CMOSの回路についてのみ発表する。) 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 高速化 低消費電力 低物質量 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) SOI-CMOS プロセスを用いて読み出し回路を試作した。 (今回は読み出し回路のみを試作)

試作した読み出し回路 製造プロセス : FD-SOI CMOS 0.2 μm チップサイズ : 2.5 x 2.5 mm2 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 コンパレータ 増幅器 入力 オフセット電圧調整回路 8ビット・カウンタ カウント・レジスタ 16 カウント・レジスタ 2 カウント・レジスタ 1 … 出力 アナログ回路部 デジタル回路部 試作した回路の動作試験、放射線試験を行った。

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 オフセット電圧調整回路 コンパレータ 200 ns 20 mV 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) ポールゼロ補償 OFF 400 ns 20 mV 正常な増幅器の出力を確認できた。

オフセット電圧調整回路 オフセット電圧調整回路において問題が見つかった。 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 オフセット電圧調整回路 コンパレータ オフセット電圧 [mV] 60 mV のばらつき オフセット電圧のばらつき 設計通りのオフセット電圧の調整ができていないことが確認された。 → 次回試作の課題

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。 最大値255 に達した後で (特徴 : 常に1ビットしか変化しない) 最大値255 に達した後で 0 に戻らない問題が発覚した。 (254 →　255 → 255 → 254 → 253 → …) 8ビット・カウンタ カウント・レジスタ x16 デジタル回路部 テストパルスのタイミング Q1 Q2 Q3 回路修正を行い、次回の試作では問題点を解決できる。

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 。 読み出しピクセル アナログ回路 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 入力テストパルス数 読みだされたヒット数 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 … 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。

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。 Vth 雑音σ 誤差関数 しきい値電圧 [mV] 計数効率 Vth=-126 mV σ = 0.756 mV 正電荷 (2.64 μV/e) 負電荷 (3.14 μV/e) 入力電荷 [103 e] Vth [mV] 傾き→増幅率

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。 雑音レベルの要求性能(1,000 電子以下) を 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。

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 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 + + + + + + + + + + ++ VSUB ~40 nm 200nm ~260 μm 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

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、オフセット電圧が下がり、 　波高が小さくなり、 　時定数も小さくなった。 照射前 (Vsub = -1.65 V) 300 krad 照射後 1 μs 10 mV Vsub 補償 前置増幅器出力 (Vsub = -1.65 V) (Vsub = -4.72 V) テストパルスのタイミング 照射 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。

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。 誤差関数の中央値 Vth [mV] 照射前 100 krad 照射後 300 krad 照射後 Vsub 補償 入力電荷 [103 e] 2 Mrad 照射後 300 krad 照射後 Vsub 補償 等価雑音電子数 [e] 100 krad 照射後 2 Mrad 照射後 照射前 検出器容量 [pF] 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。 2 Mrad までの放射線耐性があることを確認できた。

まとめ 国際リニアコライダーのための衝突点ビーム形状モニタ 「ペアモニタ」 の 研究・開発を行った。 ビームサイズ測定方法の研究 ビームサイズ(σx, σy) とずれ(δy) を10 % 以下の精度で測定できることを示した。 BeamCal(カロリーメータ) と組み合わせることでさらに精度を向上した。 読み出し回路の開発 2 つの読み出し回路を試作し、動作試験、放射線試験を行った。 SOI-CMOS 試作回路は計数率、雑音レベル、放射線耐性の要求性能を満たしていることを確認した。 ただし、カウンタ及びオフセット電圧調整回路は修正が必要。 CMOS試作回路の動作試験結果については論文(IEEE) にアクセプト。