国際リニアコライダーのための衝突点ビームモニタの研究開発 ~ Research and

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国際リニアコライダーのための
衝突点ビーム形状モニタの研究開発
~ Research and development of an interaction-region beam profile
monitor for the interaction linear collider ~
佐藤優太郎
イントロダクション
• 国際リニアコライダー
• ペアモニタ
研究内容
• ビームサイズ測定方法の研究
• ペアモニタのための読み出し回路の開発
国際リニアコライダー (ILC)
•
•
•
•
電子・陽電子衝突型線形加速器
重心系エネルギー : 最大 500 GeV (アップグレード ~ 1 TeV)
積分ルミノシティ(4 年間) : 500 fb-1
ビームサイズ: (σx, σy, σz) = (639 nm, 5.7 nm, 300 μm)
陽電子源衝突点
減衰リング
電子用主線形加速器
電子源
陽電子用主線形加速器
→ 高ルミノシティを維持するには、
衝突点でのビームの状態を把握することが重要
衝突点ビーム形状モニタ「ペアモニタ」
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衝突点ビーム形状モニタ「ペアモニタ」
ペアモニタ
+
e-
e+ beam
電子・陽電子の
ヒット分布
0
e- beam
e磁場
ビームパイプ
-10
e
e
+
Y [cm]10
測定原理
• ビーム衝突時に電子・陽電子ペアが大量に生成。
• バンチの作る電磁場により電子・陽電子ペアが散乱。
→ 散乱された電子・陽電子ペアがビーム情報を持つ。
-10
0
X[cm]10
衝突点ビーム形状モニタ「ペアモニタ」
バンチの電磁場による散乱
e+
e-
(バンチ静止系での電場 E’)
E=γE’
B = γβbE’
受ける力 : eE(1+ββb)
陽電子は斥力 → 散乱
電子は引力 → 振動
特徴
• 非破壊型ビームモニタ
• 加速器の運転への素早いフィードバックが可能
デザイン
半径 : 10 cm
• 単層のシリコンピクセル検出器ピクセルサイズ : 400μm × 400μm
センサー厚さ : 200 μm
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シミュレーションによるビームサイズ測定方法の研究
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シミュレーションセットアップ
パラメータ
衝突点
•
•
•
•
重心系エネルギー : 500 GeV
交差角 : 14 mrad
磁場 : 3.5 T + anti-DID
ツール : CAIN (電子・陽電子ペアの生成)
Jupiter (トラッキング)
• ビームサイズ :
(σx, σy, σz) = (639 nm, 5.7 nm, 300 μm)
• バンチ当たりの粒子数 : 2 x 1010
行列計算を用いた方法により、
ビームサイズ(σx, σy) とずれ(δy) を測定。
(要求精度 : ~10 % 以下)
BeamCal (カロリーメータ) も用いて、
測定精度の向上を図った。
(セルサイズ5mm×5mm)
ペアモニタ
σy×δy
σy
σx
行列計算を用いたビームサイズ測定方法
測定変数のテイラー展開を用いて、ビームパラメータを測定する。
測定変数(M)
ビームパラメータ(X)
1次の項
2次の項
逆行列を掛けて、ビームパラメータは求められる。
ビームパラメータに対して良い相関を示す測定変数を探した。
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測定変数 1 : 総ヒット数 Nall
総ヒット数の逆数 1/Nall
電子・陽電子ペアの数はルミノシティにほぼ比例するため、
総ヒット数Nall はビーム情報を持つ。
• ルミノシティ L
σx [nm]
639
702.9
798.75
958.5
σy [nm]
総ヒット数Nall はσx とσy に大きく依存している。
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測定変数 2 : 最大半径 Rmax
σx [nm]
639
958.5
最大半径Rmax [cm]
動径方向の分布がσx によって大きく変化する。
→ 最大半径 Rmax : 全ヒット数の97.5 % を含む半径
半径 R [cm]
最大半径Rmax はσx に大きく依存している。
σy [nm]
5.7
11.4
17.1
σx [nm]
10
測定変数 3 : ヒット数の比 Nd/Nall
σy が大きくなると、真上(下)方向に散乱される数が減少する。 σy [nm]
5.7
11.4
17.1
e+
f
e+
f [rad]
Nd/Nall
ヒット分布
d
Nd/Nall を定義
σx [nm]
639
702.9
798.75
958.5
σy [nm]
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測定変数 4 : ヒット数の比 NU/ND
δy
0
0.4
1.0
δy が大きくなると、上下で散乱される割合が変化する。
e+
f
e+
f [rad]
U
NU/ND
ヒット分布
δy
0
0.2
0.4
D
NU/ND を定義
σy [nm]
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ビームパラメータの再構成
定義した測定変数
ペアモニタ
BeamCal
総ヒット数 Nall
総エネルギー損失 Eall
最大半径 Rmax
平均半径 Rave
ヒット数の比
Nd/Nall, NU/ND
エネルギー損失の比
ED/Eall, EU/ED
ルミノシティ
散乱の大きさ
散乱の方向
測定変数を式に代入して、
2 次までのテイラー展開を用いて、ビームパラメータを測定する。
測定変数(M)を代入
ビームパラメータ(X)
テイラー展開の係数 A, B はフィットにより決める。
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ビームパラメータの再構成
逆行列を掛けて、ビームパラメータを求める。
計算方法
右辺にもビームパラメータ(X) がある。
(0)
(1)
…
安定するまで、繰り返し計算する。
(n)
ビームパラメータの再構成精度 (50バンチのデータ)
σx
σy
δy
ペアモニタ
BeamCal
3.1 %
9.9 %
9.0 %
4.7 %
17.1 %
9.5 %
ペアモニタ +
BeamCal
2.8 %
8.6 %
7.4 %
ペアモニタのみの測定で要求精度(10 % 以下) を満たしている。
BeamCal と組み合わせることで精度が向上している。
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ペアモニタのための読み出し回路の開発
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ペアモニタのための読み出し回路
電子・陽電子ペアのヒット分布を取得するために必要となる、
センサーからの信号を処理する読み出し回路を開発。
要求性能
ILC のビーム構造
1. 時間分解能 : 3.8 MHz 以上
1 トレイン = 2625 バンチ
…………………
2
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~
~
(信号レベルは15,000 電子)
1
…
[
2. 雑音レベル : 1000 電子以下
[
[
(バンチ間隔以上)
1 ms
200 ms
3. 放射線耐性 : 数Mrad / year 以上
4. トレイン内の場所に依存したビームサイズ測定
→ トレインを16 分割して(~164 バンチ)、それぞれの部分で計数して、
トレイン間(~200 ms) に読み出しを行う方式を採用。
これらの要求性能を満たすように回路の設計・製作を行った。
• 回路設計の原案は池田博一氏(JAXA) による。
製造プロセス
2 つの異なる製造プロセスを用いて読み出し回路を試作した。
• CMOS プロセス、SOI-CMOS プロセス
(本発表では、SOI-CMOSの回路についてのみ発表する。)
SOI(Silicon On Insulator) pixel detector
• KEK のSOI pixel グループが開発中の、
センサーと読み出し回路を同一ウェハ上に成型する一体型検出器
 高速化
読み出し回路 (Si)
 低消費電力
埋め込み酸化膜
 低物質量
(SiO )
2
サブストレート層
(センサー)
SOI-CMOS プロセスを用いて読み出し回路を試作した。
(今回は読み出し回路のみを試作)
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試作した読み出し回路
製造プロセス : FD-SOI CMOS 0.2 μm
チップサイズ : 2.5 x 2.5 mm2
ピクセル数 : 9 (3x3)
ピクセルサイズ : 390 x 350 μm2
回路のレイアウト
読み出しピクセル
– 試験的に、ピクセルごとに異なる検出器
容量を負荷
入力
アナログ回路部
増幅器
オフセット電圧
調整回路
デジタル回路部
コンパレータ
カウント・レジスタ 1
カウント・レジスタ 2
8ビット・カウンタ
カウント・レジスタ 16
…
•
•
•
•
試作した回路の動作試験、放射線試験を行った。
出力
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増幅器の出力確認
増幅器の出力を確認した。
アナログ回路
整形
増幅器
オフセット電圧
調整回路
コンパレータ
200 ns
テストパルスのタイミング
テストパルスのタイミング
低増幅率 (Cf = 0.1 pF)
高増幅率 (Cf = 0.05 pF)
ポールゼロ補償 ON
20 mV
ポールゼロ補償 OFF
400 ns
正常な増幅器の出力を確認できた。
20 mV
前置
増幅器
オフセット電圧調整回路
• オフセット電圧調整回路において問題が見つかった。
アナログ回路
前置
増幅器
整形
増幅器
オフセット電圧
調整回路
• ピクセルごとのオフセット電圧の
ばらつきを打ち消すために、オフセット
電圧が調整できるようになっている。
設計通りのオフセット電圧の調整が
できていないことが確認された。
→ 次回試作の課題
コンパレータ
オフセット電圧のばらつき
60 mV のばらつき
オフセット電圧 [mV]
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8 ビット・カウンタの応答
カウンタの応答を確認した。
デジタル回路部
8ビット・カウンタ
• グレイ・コードを使用している。
カウント・レジスタ x16
テストパルスのタイミング
(特徴 : 常に1ビットしか変化しない)
Q1
• 最大値255 に達した後で
0 に戻らない問題が発覚した。
(254 → 255 → 255 → 254 → 253 → …)
Q2
Q3
回路修正を行い、次回の試作では問題点を解決できる。
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ヒット数の読み出し
カウントレジスタを切り換えながら、テストパルスを入力して、
ヒット数を読み出した。
読み出しピクセル
(他のカウント・レジスタも同様の結果)
TP入力
読みだされたヒット数
1つのカウント・レジスタの出力
アナログ回路
カウンタ
カウント・レジスタ 1
カウント・レジスタ 2
…
カウント・レジスタ 16
@4 MHz
入力テストパルス数
要求されている計数率(~3.8 MHz) で、
正しいヒット数を読み出せることが確認できた。
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雑音評価
Vth [mV]
計数効率
等価雑音電子数を見積もり、雑音を評価する。
しきい値スキャン
• コンパレータのしきい値を変えながら、
計数効率を測定し、誤差関数でフィットした。
誤差関数
傾き→増幅率
正電荷
(2.64 μV/e)
σ = 0.756 mV
Vth=-126 mV
雑音σ
Vth
負電荷
(3.14 μV/e)
しきい値電圧 [mV]
→ 等価雑音電子数 ( = 雑音σ / 増幅率) を求めた。
入力電荷 [103 e]
等価雑音電子数
等価雑音電子数
すべてのピクセルの雑音レベルを測定して、
雑音の検出器容量依存性を調べた。
正電荷
負電荷
TSPICE Simulation
検出器容量 [pF]
雑音レベルの要求性能(1,000 電子以下) を
満たしていることが確認できた。
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放射線耐性試験
試作回路にX線を照射して、放射線耐性を調べた。
• X線発生装置 : FR-D (リガク社) @KEK
• 標的 : Cu (~8 keVの光子)
• 照射量 : 最大2 Mrad
放射線効果
+++++ +
+++++ +
+ + + + ++
+ + + + ++
~260 μm
• シングルイベント
~40 nm
– 入射粒子によって生じる
200nm
一時的な電流による不具合。
→ SOI は高耐性。
• トータルドーズ
– 絶縁層に蓄積する電荷による影響
– 照射量に比例
VSUB
サブストレート層の電位Vsub によるトータルドーズ補償効果を観測
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前置増幅器の信号波形
照射前後及びVsub 補償時で、前置増幅器の信号波形を観測した。
• 照射するにつれて、オフセット電圧が下がり、
波高が小さくなり、
時定数も小さくなった。
1 μs
照射前
300 krad 照射後
照射
(Vsub = -1.65 V)
Vsub 補償
(Vsub = -1.65 V)
前置増幅器
出力
(Vsub = -4.72 V)
サブストレート層の電位Vsub の補償により、
照射前の信号波形に近い形に戻っている。
10 mV
テストパルス
のタイミング
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しきい値スキャン
入力電荷 [103 e]
等価雑音電子数 [e]
Vsub 補償
Vsub 補償
誤差関数の中央値 Vth [mV]
照射前後及びVsub 補償時で、しきい値スキャンを行い、
増幅率、等価雑音電子数の変化を調べた。
検出器容量 [pF]
サブストレート層の電位Vsub の補償により、
照射前の増幅率、等価雑音電子数に回復している。
2 Mrad までの放射線耐性があることを確認できた。
まとめ
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国際リニアコライダーのための衝突点ビーム形状モニタ「ペアモニタ」の
研究・開発を行った。
ビームサイズ測定方法の研究
• ビームサイズ(σx, σy) とずれ(δy) を10 % 以下の精度で測定できることを示
した。
• BeamCal(カロリーメータ) と組み合わせることでさらに精度を向上した。
読み出し回路の開発
• 2 つの読み出し回路を試作し、動作試験、放射線試験を行った。
• SOI-CMOS 試作回路は計数率、雑音レベル、放射線耐性の要求性能を
満たしていることを確認した。
• ただし、カウンタ及びオフセット電圧調整回路は修正が必要。
• CMOS試作回路の動作試験結果については論文(IEEE) にアクセプト。

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