国際リニアコライダーのための FPCCD崩壊点検出器と 読み出しシステムの開発

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1 国際リニアコライダーのための FPCCD崩壊点検出器と 読み出しシステムの開発
東北大学　齋藤智之　(M2) 2010/08/08

2 目次 ILC実験について FPCCD崩壊点検出器 データの読み出しシステム ☞ 読み出し回路性能評価 CCDの性能評価 まとめ
2010 夏の学校　齋藤智之 目次 ILC実験について FPCCD崩壊点検出器 データの読み出しシステム 　　 ☞ 読み出し回路性能評価 CCDの性能評価 まとめ

3 International Linear Collider (ILC)
2010 夏の学校　齋藤智之 International Linear Collider (ILC) 次世代電子・陽電子衝突型線形加速器 重心エネルギー : 500 GeV (→ 1TeV) 最大ルミノシティ : 2×1034cm-2s-1 積分ルミノシティ : 500 fb-1 (4年間) ILCのビーム ~2ms ~200ms 測定器 1トレイン＝1312バンチ

4 International Large Detector (ILD)
2010 夏の学校　齋藤智之 International Large Detector (ILD) ILD : ILCの大型汎用測定器 13 m 崩壊点検出器 ☞ ビームパイプのすぐ外側 ☞ 荷電粒子の飛跡から 　 崩壊点を測定 Coil Time Projection Chamber 15 m Hadron Calorimeter Electromagnetic Calorimeter

5 ILCの崩壊点検出器:役割 ILCが目指す物理 崩壊点検出器の役割 標準理論を越える理論の探索 Higgsの精密測定 (H→bb、H→cc)
2010 夏の学校　齋藤智之 ILCの崩壊点検出器:役割 ILCが目指す物理 標準理論を越える理論の探索 Higgsの精密測定　(H→bb、H→cc) Higgsとの結合の強さと質量 b、cクオークの同定が不可欠 崩壊点検出器の役割 Higgsとの結合の強さ 崩壊点 分解能 質量(GeV)

6 CCD 崩壊点検出器 課題 解決策: 高精細CCD崩壊点検出器 ☞ 衝突点近傍に設置 ⇒ペアバックグランドが多い
2010 夏の学校　齋藤智之 6 CCD 崩壊点検出器 課題 ☞ 衝突点近傍に設置　⇒ペアバックグランドが多い ☞ピクセル占有率10％以上 ( 20mm 角のCCD) 　　（ 1トレイン分のデータを貯めてから読み出す） ~2ms ~200ms 1トレイン＝1312バンチ 解決策: 高精細CCD崩壊点検出器

7 Fine Pixel CCD (FPCCD)の特徴
2010 夏の学校　齋藤智之 Fine Pixel CCD (FPCCD)の特徴 ピクセルサイズ : 5mm× 5mm 有感層の厚さ : 15 mm (全空乏化) 総チャンネル : 6080 ch 　　☞ 20000×128 pix/ch ⇒ 総ピクセル : 約1010 pixel ダブルレイヤー ○ 高い空間分解能 ○ 高い2粒子分解能 ○ 粒子の入射方向識別によるバックグランド除去 ○ ビーム由来の高周波ノイズの影響受けない

8 試作FPCCD 128 pixel 512 pixel 試作FPCCDを浜松ホトニクスさん に依頼し製作。
2010 夏の学校　齋藤智之 試作FPCCD 128 pixel 512 pixel 　試作FPCCDを浜松ホトニクスさん に依頼し製作。 ⇒ 試作FPCCDを用いてデータの 　 読み出し試験を行う 実機FPCCD 試作FPCCD ピクセルサイズ 5×5 mm2 12×12 mm2 有感層の厚さ 15 mm チャンネル数 32 4 1チャンネルのピクセル数 20000×128 pix/ch 512×128 pix/ch

9 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

10 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

11 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

12 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

13 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

14 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ① 受光素子から各垂直転送CCDに 電荷を転送 ② ①の電荷を1回分垂直方向に転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 信号の読み出し方 ①　受光素子から各垂直転送CCDに 　　電荷を転送 ②　①の電荷を1回分垂直方向に転送 ③　水平転送CCDで全水平画素を出力 ④　②と③を繰り返し、全て読み出す 受光素子＋水平転送

15 CCDの読み出し FPCCD = 膨大なピクセル数 FPCCDの読み出しの特徴 専用の読み出しシステム の開発が必要！ 受光素子＋垂直転送
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの読み出し 受光素子＋垂直転送 FPCCD = 膨大なピクセル数 データの読み出しに時間がかかる FPCCDの読み出しの特徴 1つのセンサーを多チャンネル化 水平転送ＣＣＤも感度あり 専用の読み出しシステム の開発が必要！ 受光素子＋水平転送

16 読み出しシステム 読み出し CCD ボード SiTCP 動作信号 FPGA データ送信 (イーサーネット) FPGA CCD出力
2010 夏の学校　齋藤智之 読み出しシステム 読み出し ボード CCD SiTCP FPGA 動作信号 データ送信 (イーサーネット) FPGA CCD出力 読み出し回路 動作信号 回路制御信号 設定信号 出力信号

17 重要 読み出しシステム 読み出し CCD ボード 動作信号 データ送信 (イーサーネット) FPGA CCD出力 読み出し回路 動作信号
2010 夏の学校　齋藤智之 読み出しシステム 読み出し ボード CCD 動作信号 データ送信 (イーサーネット) FPGA CCD出力 重要 読み出し回路 動作信号 回路制御信号 設定信号 出力信号

18 読み出し回路 解決策 ! 回路構成 要求性能 消費電力 < 6mW/ch 読み出し速度 > 10 Mpix/sec
2010 夏の学校　齋藤智之 読み出し回路 要求性能 消費電力 < 6mW/ch 読み出し速度 > 10 Mpix/sec ノイズレベル < 30 電子 電荷再分配型 　⇒ 低消費電力 解決策 ! 5 Mpix/sec × 2 回路構成 ADC 出力 前置増幅器 LPF CDS CCD 出力 ADC LVDS ドライバー ノイズ抑える

19 読み出し回路性能評価：読み出し速度 AD変換速度は1.5Mpix/secが限界 AD変換する速度を変えペデスタル分布を調べた。
2010 夏の学校　齋藤智之 読み出し回路性能評価：読み出し速度 AD変換する速度を変えペデスタル分布を調べた。 信号入力なし分布 ペデスタル分布 5 Mpix/sec (目標性能) 1.5 Mpix/sec まともにAD変換できていない AD変換速度は1.5Mpix/secが限界

20 読み出し回路性能評価：ノイズ RMS = 0.7 ⇒ 28電子に相当 目標性能である 30電子をクリア！
2010 夏の学校　齋藤智之 読み出し回路性能評価：ノイズ ペデスタル分布からノイズレベルを調べた。 ペデスタル分布（-10℃冷却） 実機は-40℃に冷却 1.5 Mpix/sec変換時 RMS = 0.7 ⇒ 28電子に相当 目標性能である 30電子をクリア！ この読み出し回路を用いてＣＣＤの読み出し試験を行う。

21 CCDの性能評価: ペデスタル画像 CCDの信号1ch分を2次元の画像を読み出した。 ペデスタル画像(ADCカウント) 室温 縦スジ発生
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの性能評価: ペデスタル画像 　CCDの信号1ch分を2次元の画像を読み出した。 ペデスタル画像(ADCカウント) 室温 縦スジ発生 -40℃冷却時 ダミーなので 問題なし 分布は均一。冷却するとノイズは減少。

22 CCDの性能評価 : 1行分の読み出し CCD1行分のデータを読み出し、ペデスタル分布をチェックした。 ペデスタル分布(ADCカウント)
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの性能評価 : 1行分の読み出し 　CCD1行分のデータを読み出し、ペデスタル分布をチェックした。 ペデスタル分布(ADCカウント) 室温 -40℃冷却時 ピクセルの位置 -40℃に冷却すると、ノイズはかなり抑えられる。

23 CCDの性能評価 : 1pixelの分布 CCD1pixelを300回読み出し、ペデスタル分布をチェックした。
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの性能評価 : 1pixelの分布 　CCD1pixelを300回読み出し、ペデスタル分布をチェックした。 1pixelのペデスタル分布(ADCカウント) -40℃ 室温 平均：5.8 RMS：1.9 平均：1.2 RMS：3.9 冷却によって　⇒　平均　小 　　　　　　　　　RMS　大　　　 要チェック

24 CCDの性能評価 : LED照射試験 「ILC」の文字の画像を読み出し成功！
2010 夏の学校　齋藤智之 CCDの性能評価 : LED照射試験 CCDにフォトマスクを被せ、LEDの光を照射し画像を読みだした。 フォトマスク ☞ 1文字 : 1mm角 ☞ ピッチ : 0.2mm LED照射時間 : 0.2s フォトマスク 1㎜ 1㎜ 読みだした画像 「ILC」の文字の画像を読み出し成功！

25 まとめと計画 今後の計画 ILCにおけるFPCCD崩壊点検出器とその読み出しシステムの 開発を行っている
2010 夏の学校　齋藤智之 まとめと計画 　ILCにおけるFPCCD崩壊点検出器とその読み出しシステムの 開発を行っている 開発した読み出しシステムを用いて試作FPCCDによる試験を行った。 　　　　⇒　画像の読み出しの成功 今後の計画 ☛ 読み出し回路の速度の問題 → 次のレイアウトで対策済み ☛ゼロサップレッション ☛ DAQ-Middlewareの導入

26 相関2重サンプリング(CDS) 電荷を電圧に変えるときに発生するノイズを減らす！ リセット 電荷情報 サンプリング CCD信号 C
2010 夏の学校　齋藤智之 相関2重サンプリング(CDS) 電荷を電圧に変えるときに発生するノイズを減らす！ リセット 電荷情報 サンプリング CCD信号 C 電荷を電圧へ pixel リセットレベルの信号とシグナルレベルの信号を比較する。 　 ⇒ リセットノイズキャンセル!

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