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 y ビーム・プロファイル測定が必須 QuickTimeý Ç² TIFFÅiîÒà• èkÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇÇ• ÅB x z 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ペアモニターの測定原理ペアモニター Y [cm] Y [cm] ペアモニターの原理 e• ビーム衝突点で光子が e- beam e+ beam γ 大量に生成 e+ • ビームと光子が反応して電子のヒット分布陽電子のヒット分布電子・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 X X [cm] 測定することでビーム形状を測定 [cm] 2倍のビーム幅 Y [cm] 電子・陽電子のヒット分布を測定することが重要 Y [cm] 標準のビーム幅 X [cm] X 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 • 厚み : 200 ~ 300 μm • 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トレイン = 2625 バンチ 1 …… [ [ [ ………………… 2 16 1 ms 200 ms 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 4mm 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 4mm Readout cells 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 GPIO テストボード読み出し回路 FPGA FIFO Hit count Operation signals Register switching PC 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。入力前置増幅器入力しきい値設定ブロック増幅器 8ビットカウンタ差動増幅器読み出しピクセルコンパレータカウント・レジスタ ×16 TP timing 前置増幅器前置増幅器から出力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。入力前置増幅器入力しきい値設定ブロック増幅器 8ビットカウンタ差動増幅器読み出しピクセルコンパレータカウント・レジスタ ×16 TP timing 差動増幅器出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。グレイコード 0000 → 0001 → 0011 → 0010 → 0110 → 0111 → 0101 → ‥‥ 入力増幅器 8ビットカウンタ読み出しピクセルコンパレータカウント・レジスタ ×16 TPタイミング Q1 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