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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
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Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion
Plan
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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
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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
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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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Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion
Plan
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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
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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
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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-
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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-
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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
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Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion
Plan 読出し回路の具体的なお話
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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。
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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
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View of readout chip CELLA analog & digital Pixel回路(CELLA)の回路図
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Digital circuit 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し CELLA
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1 1 1 1 1 1 4つの書き込み
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1 1 1 1 1 1 4×4=16個の書き込み 1 1 1
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Digital circuit 1.カウント 2.16分割して保存 3.読出し CELLA
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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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Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion
Plan
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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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Contents ILC Pair Monitor Readout Chip for Pair Monitor Conclusion
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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
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以上です ありがとうございました
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参考資料
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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
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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
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