ILC衝突点ビームモニターのための 読み出し回路の開発 東北大学　佐藤優太郎

ILC 衝突点ビームモニター 国際リニアコライダー (ILC) 重心エネルギー : 500 GeV ルミノシティ : 2 × 1034 cm-2 s-1 ビーム・サイズ : (σX, σY, σZ) = (639nm, 5.7nm, 300μm) → ルミノシティを維持するには衝突点での ビーム・プロファイル測定が必須 衝突点ビームモニターへの要請 ビームサイズを10％以下の精度で測定 他の粒子検出器の障害にならない → ペアモニターが要求を満たす唯一の候補 y x z

ペアモニターの測定原理 ペアモニターの原理 ビーム衝突点で光子が 大量に生成 ビームと光子が反応して 電子・陽電子ペアが生成 向かってくるビームと同電荷の 粒子は大きく散乱 散乱された電子・陽電子の分布を 測定することでビーム形状を測定 電子・陽電子のヒット分布を 測定することが重要 e+ beam e- e+ e- beam γ X [cm] Y [cm] 2倍のビーム幅 標準のビーム幅 電子のヒット分布 陽電子のヒット分布

ペアモニターのデザイン [ ペアモニターのデザイン シリコン・ピクセル・センサー ピクセル・サイズ : 400 × 400 μm2 半径 : ~ 10 cm 総ピクセル数 : 200,000 ペアモニターの動作 トレインを16分割して、それぞれのパートでヒット数を カウントして保存 トレイン間 (~ 200ms) に保存したデータを読み出す。 ………………… …… 1 ms 200 ms [ 1 2 16 1トレイン = 2625 バンチ

読み出し回路の開発 読み出し回路への要求 ペアモニター上のヒット分布を取得する ピクセルあたり最大300nsに一発のヒット (< 4 MHz) トレイン間 ( ~ 200 ms) で全てのデータを転送 エネルギーの情報は必ずしも必要ではない 読み出し回路の設計思想 ヒット数を数えて蓄える エネルギーの情報は見ない → いたってシンプルな回路

プロトタイプ回路のデザイン 読み出し回路のデザイン 各種シフト・レジスタ 36 (6×6) 個の読み出しピクセル 増幅器 コンパレーター 8 ビット・カウンタ 16 個のカウント・レジスタ 出力 カウント・ レジスタ ×16 レイアウト 入力 増幅器 + コンパレータ 8ビット・カウンタ

プロトタイプ回路 プロトタイプ回路 製造プロセス : 0.25 μm TSMC チップ・サイズ : 4×4mm2 Readout cells プロトタイプ回路 製造プロセス : 0.25 μm TSMC チップ・サイズ : 4×4mm2 ピクセル数 : 36(=6 × 6) ピクセル・サイズ : 400 × 400 μm2 センサーとはバンプ・ボンドで接続予定 パッケージ : PGA144 2008年10月に完成 現在、動作試験中

試験システム 試験システム VMEの試験システムを使用 KEK-VME 6U モジュール 回路の制御と読み出しを担当 テスト・ジョブの管理とGPIOモジュールの制御はPCで行う Hit count Operation signals Register switching PC GPIO テストボード 読み出し回路 FIFO FPGA

前置増幅器の応答 前置増幅器の応答を確認した。 増幅器ブロック : 前置増幅器、しきい値設定ブロック、差動増幅器 テストパルスを入れたタイミングで前置増幅器からの出力が確認された。 → 前置増幅器は正しく動いている。 前置 増幅器 しきい値設定 ブロック 差動 入力 TP timing 読み出しピクセル 増幅器 コンパレータ 8ビットカウンタ カウント・レジスタ ×16 入力 前置増幅器 出力 前置増幅器から の 出力を確認

差動増幅器の応答 差動増幅器の応答を確認した。 テストパルスを入れたタイミングで差動増幅器からの出力を確認できた。 → 差動増幅器は正しく動いている。 前置 増幅器 しきい値設定 ブロック 差動 入力 TP timing 差動増幅器 出力 読み出しピクセル 増幅器 コンパレータ 8ビットカウンタ カウント・レジスタ ×16 入力 差動増幅器からの 出力を確認

カウンタの応答 カウンタの応答を確認した。 ヒット・カウントにはグレイコードを使用 → カウンタが正しく動いている。 TPタイミング Q1 0000 → 0001 → 0011 → 0010 → 0110 → 0111 → 0101 → ‥‥ TPタイミング グレイコードを用いると隣接値への変化で常に１ビットしか変わらない。 Q1 読み出しピクセル 増幅器 コンパレータ 8ビットカウンタ カウント・レジスタ ×16 入力 Q2 Q3

レジスタの出力 カウント・レジスタの出力の確認 1MHzのテスト信号に対して、 出力されたカウント値にビット落ちがないことを確認 → 読み出し回路が正しく動いている。 → 読み出し回路の要求性能である4MHzまでの動作確認を実施中 NIN v.s. NOUT NIN v.s. (NIN - NOUT )

SOIを用いた読み出し回路の開発 読み出しピクセルのデザイン 製造プロセス : FD-SOI CMOS 0.2 μm チップサイズ : 2.5 × 2.5 mm2 ピクセル数 : 9 ( = 3×3 ) 入力部分 ダイオードをつける ラディエーションダメージを調べる セルごとに異なる容量をつける ノイズを調べる 読み出しピクセル (3×3)

まとめ ILCのルミノシティ維持には衝突点でのビーム・プロファイ ルの測定が重要 ペアモニターが現状ではビーム・プロファイル・モニターと して唯一の候補 プロトタイプ回路が2008年10月に完成 1MHzまでのテストパルスで基本的な動作確認が完了 要求性能(~4MHz)のテストパルスでの動作確認を実 施中 SOIを用いた読み出し回路の開発も進行中 レイアウトは発注済み