Readout Chip for ILC Pair Monitor 東北大学大学院　理学研究科 ニュートリノ科学研究センター 修士0年 佐々木励

Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion Plan

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左に進むほど、BIG BANGに近づき、高エネルギー 現在はオーダーで100GeV（CERNのLEPが200GeV、SLACの） ヨーロッパでもうすぐ稼動するLHCや、ILCはTeVの領域を目指す ILCは精密測定を行うことで、さらに高エネルギーまで望遠鏡のように見渡すことができる de Broglie λ=h/p=2πh’c/E=10*200MeVfm/1Tev=10^-18

ILC(International Linear Collider) e+e- collider Energy:500GeV~1TeV Physics : Higgs , Top Quark , SUSY , Dark Mater, etc… ILC 全長：メインリニアック11km×2 第一期500GeV,アップグレード期1TeV Higgs,TopQuark,SUSY,DarkMaterなど、他にも様々な物理を対象 ILCと既存のsynchrotronの違い Synchrotronはsynchrotron放射（荷電粒子が磁場により加速されるときに放射される光）でenergy loss synchrotron

Beam for ILC train bunch = 2×1010 σx=655nm σy σy=5.7nm σx σz=300μm ＠IP ビームが右から左へ Train（bunchの塊）が5Hzで Bunchは平べったい板状 電子が10^10 e- = 2×1010

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Pair Monitor Beam Profile Monitor:サイズの測定 →高い安定したLuminosity 400cm Pair Monitorは、Beam Profile Monitorの一種。ビームのサイズを測る これは高い安定したluminosityのために必要 Luminosityについては次 （下図の説明） 測定器の中でのPair Monitorの位置。 Beam lineの周りに巻きついている。その縦切り図。 衝突点から４ｍ Interaction Point

Luminosity Luminosity : ビームの衝突確率 f = 繰り返し周波数[s-1] N = eの個数 in bunch σx,σy = beam size [m] ILC Luminosity：単位時間・単位面積あたりの、電子の衝突確率 fはbeamが来る頻度。Nは先ほどの10^10の電子。→一定 よって、luminosityはbunch断面積に依存 ILCは、sychrotronと違い一発勝負、より重要 対象としてるeventが少ないため、統計を上げるためにluminosityは重要 （参考） ILCは初めの4年間で500fb-1を目指す e+ size 小 e- synchrotron e- e+ size 大

Pair Monitorの原理 1. Pair production of e+e- IP 1. Pair production of e+e- IP:Interaction Point バンチが衝突。そこから、e+e-対生成。 Bunchと同電荷のものは、bunchの中を振動。 Bunchと逆電荷のものは、bunchに散乱。散乱され具合が、beam sizeによる。 散乱されたeは、ソレノイド磁場で回転。pair monitorに衝突・測定。そこから逆算して、散乱具合→beam size e+ e- 2. Scattering( )by ( )←beam size 3. ( ) collide with pair monitor e+ e-

Pair Monitorの構成 segment Pair Monitor 3D Silicon Pixel Sensor 200μm 1cm Readout Chip Pixel Sensor Pair Monitor Pair Monitor 穴の半径2cm 、外側の半径8.5cm Segment 台形（１×３が二連）。Pixel Sensorの後ろにReadout Chip 3DシリコンPixel Sensor （注意）SegmentあたりのCELLAの数は10×30[mm2]／0.4×0.4[mm2] ~ 2000 200μm 3cm 1cm 3D Silicon Pixel Sensor e-

readout chipに必要な性能 カウント 読出し 16分割して保存 カウント・保存：ビームの衝突中 読出し：カウント・保存後、次のtrainが来るまでに終える ３つの必要な性能。後にも出てくるので覚えておいてください。 カウント 読出し 16分割して保存

Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion Plan 読出し回路の具体的なお話

Development of readout chip 池田博一教授（JAXA）の協力 修士2年　横山さん、橋本さんからの引継ぎ 試作チップ：YH01（故障）→R02（製作依頼中） 入力保護回路に含まれる、入力Poly抵抗 新しいものは、そこをショートさせる R02は先月発注。そのとき、まだ仕事にほとんど関わってなかったが、橋本さんが気を。

View of readout chip ピクセル回路 400μm 試作チップの概観 Pixel回路：八角形のボディングパッド（直径50μm）が3DシリコンPixelSensorに。６×６＝３６ Glue回路：読出しの制御。CELLAのどれを選ぶか。後で説明

View of readout chip CELLA analog & digital Pixel回路（CELLA）の回路図

Analog circuit CELLA 1.前置増幅回路サブブロック 2.差動増幅回路サブブロック 3.コンパレータ回路サブブロック 大きく分けて、3つの部分で構成 analog signal

Analog circuit 1.前置増幅回路サブブロック 2.差動増幅回路サブブロック 3.コンパレータ回路サブブロック CELLA 増幅

Analog circuit CELLA 1.前置増幅回路サブブロック 2.差動増幅回路サブブロック 3.コンパレータ回路サブブロック 出力信号を＋と－に分割 ２つを増幅 最後に電位差の信号 →２つのノイズが打ち消しあいgood

Analog circuit CELLA 1.前置増幅回路サブブロック 2.差動増幅回路サブブロック 3.コンパレータ回路サブブロック Threshouldなど設定 Trigerrをかけるか選択

Analog circuit CELLA 1.前置増幅回路サブブロック 2.差動増幅回路サブブロック 3.コンパレータ回路サブブロック Digital signal（ロジック信号） : high or low,1 or 0 digital signal

Digital circuit CELLA 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し digital signal 先ほどの必要な３つの性能 CELLA digital signal

Digital circuit 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し ENB信号でカウント・スタート CELLA 1

Digital circuit 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し CELLA

Write @LATCH 1 1 1 1 1 1 ４つの書き込み

Write @REGBNK 1 1 1 1 1 1 4×４＝１６個の書き込み 1 1 1

Digital circuit 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し CELLA

Readout @LATCH 1 1 1 1 1 1 書き込みと、ほぼ同じ 入力信号の場所が異なる ４つの読出し

Readout @REGBNK 1 1 1 1 1 1 ４×４＝１６回の読出し （注意）読出しで、保存されているデータは消えない 1 1 1

Selection of Pixel circuit XCK:3発 YCK:2発 1.カウント 2.保存 （XSEL,YSELが動き終わってから） CAPL(グリーン）:データ貯蔵庫にゲートを開ける CAPT（オレンジ）:データ貯蔵庫にパイプ（排水溝）をつなげる 開いたゲートからパイプを通って、データが読み出される 3.読出し

Readout Method(example1) ①　横方向 ②　縦方向 読み出し方にも色々 これは、チップの試験が全て完了した後に、そのチップをどう使うか考える段階の話。 しかし、試作チップのための、テスト･パルスを考える上での参考？ また、最終的なチップの目的を見据える 例えば横方向に読み進める

Readout Method(example2) ①　横方向 ②　縦方向 縦方向に読み進める。 これらは、同じように見えるが、シミュレーションでは違う結果も では、縦方向で読み出す例で考える

Readout Method（失敗例） ① 横方向 ② 縦方向 XCK:後に2発 YCK:先に1発 失敗例 （simulaton結果） ①　横方向 ②　縦方向 失敗例 （simulaton結果） XSELが２発目で、読出し実行が理想 しかし、XSEL１発目で、読出しが実行されてしまっている CELLA1,2は、それぞれのデータ貯蔵庫のゲート開き＆パイプが繋がっている状態 CELLA1から読みだされている （注意）先に読み出されてもデータは消えない （animation start） 同じ計数なのは、同じカウントをCELLA全てに行っているから：試作チップも

Readout Method（成功例） ① 横方向 ② 縦方向 XCK:先に2発 YCK:後に1発 XSEL,YSELの入れる順番を変える ①　横方向 ②　縦方向 XSEL,YSELの入れる順番を変える (simulation結果) CELLA1のゲートは開かずに、CELLA2からのみ読出し (animation start)

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Conclusion 1. ILC 2. Pair Monitor 3. Readout Chip for Pair Monitor 必要 必要 開発中 4.アニメーション製作 構想10時間 製作30時間 priceless 制作費0億円

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Plan 試作チップの到着 2007/05 1. Analog部の研究 2. 試作チップ用テストパルスの準備 試作チップの到着　2007/05 1. Analog部の研究 2. 試作チップ用テストパルスの準備 3. Readout methodの簡単な考察

以上です ありがとうございました

参考資料

Readout Method（失敗例２） ① 横方向 ② 縦方向 XCK:先に1発 YCK:後に2発 失敗例 （simulaton結果） ①　横方向 ②　縦方向 失敗例 （simulaton結果） XSELが２発目で、読出し実行が理想 しかし、XSEL１発目で、読出しが実行されてしまっている CELLA1,2は、それぞれのデータ貯蔵庫のゲート開き＆パイプが繋がっている状態 CELLA1から読みだされている （注意）先に読み出されてもデータは消えない （animation start） 同じ計数なのは、同じカウントをCELLA全てに行っているから：試作チップも

Readout Method（成功例２） ① 横方向 ② 縦方向 XCK:後に1発 YCK:先に2発 失敗例 （simulaton結果） ①　横方向 ②　縦方向 失敗例 （simulaton結果） XSELが２発目で、読出し実行が理想 しかし、XSEL１発目で、読出しが実行されてしまっている CELLA1,2は、それぞれのデータ貯蔵庫のゲート開き＆パイプが繋がっている状態 CELLA1から読みだされている （注意）先に読み出されてもデータは消えない （animation start） 同じ計数なのは、同じカウントをCELLA全てに行っているから：試作チップも