SOI技術を用いた pixel検出器の開発(1) 日本物理学会第62回年次大会 小野峻，三枝裕司，石野宏和，新井康夫，田内一弥，坪山透, Gary Varner, Elena Martin, Michael Cooney その他 ＳＯＩ検出器開発グループ 東京工業大学, 高エネルギー加速器研究機構(KEK), University of Hawaii SOI Pixel Detector R&D group [参加メンバー] • KEK: 海野義信、寺田進、池上陽一、坪山透、羽澄 昌史、高力孝、新井康夫 • 新潟大学： 川崎健夫 • 筑波大学： 原和彦、三宅秀樹、望月亜衣 • 東京工業大学： 石野宏和、小野峻、三枝裕司 • JAXA： 池田博一 • U. of Hawaii: Gary Varner, Elena Martin, James Worley Kennedy • SLAC : Hiro Tajima 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 2 目次 • • • • • • • 研究目的 SOI、SOI pixel detector INTPIX pixel detector COBI interface board DAQ システム データ収集 Summary 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 3 研究目的 • INTPIX SOI pixel detectorの評価 1. COBIを使用したUSBによる検出器制御 2. DAQシステムの構築 3. データの読み出し、撮像 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 4 Silicon On Insulator (SOI) • ２種類の抵抗値の異なるシリコンウェハを絶縁膜を通して張 り合わせる技術 • 一方にトランジスタを形成し、浮遊容量を減らして回路の高 性能化を図る • 長所 – 回路の高速化、低消費電力、latch upを防ぐ、低いleak current、低コスト 2種のウェハそれぞれをセンサー・回路部分 として、一体型pixel検出器を開発 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 SOI トランジスタ 5 SOI pixel detector SOI pixel detectorの特徴 1. Monolithic(一体型)検出器 • センサーそのものの厚みを薄くできる センサー、回路部で異なる抵抗のシリコンウェハを使用 2. • 完全空乏化による高い電荷収集効率と複雑なCMOS回路の両立 センサー、回路間の浮遊容量が少ない 3. • S/Nの向上 トランジスタが完全分離 4. • • Leak currentの減少 高い放射線耐性 Super Bなどの次世代の 加速器実験における有望な候補 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 6 INTPIX INTPIX detector 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. SOI 0.15mm process Chip size: 5.0mm X 5.0mm Pixel size: 20mm X 20mm 128 X 128 pixels Bulk: n-type、 厚み 350mm Readout: 電荷積分型 INTPIX block diagram •今回はINTPIXのback側から8Vの bias電圧を印加(空乏層:約20mm) •pixelのaddress指定を行いひとつの ラインからシリアルで読み出していく •Resetシグナルを送ることでpixel出力 INTPIX 断面図 をresetさせる 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 7 COBI • Compound Operational Board Interface – Hawaii大学で開発 – PC側とINTPIX検出器の間を接続する。 – PC側との接続はUSBを経由し、検出器の制御および信号の読み出 しが可能。 – FPGAを搭載、制御部分をVHDLにて記述 INTPIX USB FPGA • 今回は検出器の制御(address指定、reset)のみをVHDLに て記述し、実験を行っている 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 8 DAQ system • PCより、INTPIXのresetを送り、その後pixelのアドレスを順 次変えて(128 x 128)、ph-ADCを使用しシリアルで読み出す。 • Signalの読み出しタイミングはPCから、CAMACのoutput registerを使用して送り出す。 CAMAC crate (PH-ADC, Output reg) Output signal PC USB 2007/9/22 COBI INTPIX 日本物理学会第62回年次大会 9 Readout signal (Oscilloscope) 1つのpixelからの読み出し信号をoscilloscopeで観測 Readout signal (光源無し) Readout signal (光源あり) reset reset 飽和状態 Pixel output offset Pixel output 各pixelからのoutput確認 リセットにより、outputがoffsetへ戻る 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 10 Readout signal (ph-ADC) Pixel output (光源無し) Offset 2D plot Offset 分布 飽和状態 Pixelが未調整であるため Preliminaryなデータを表示 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 11 Readout signal with mask • Pixel output with mask(光源:レーザーポインタ) Raw data signal (Raw data – offset) signal Offset signal Pixelが未調整であるため Preliminaryなデータを表示 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 12 Summary • INTPIX pixel detectorの評価 • COBIを使用しUSB経由で検出器の制御を行い、 DAQシステムを構築 • INTPIXのデータ読み出し、maskを使用した撮像 • 今後の予定 – DAQシステムの改良、高速化(USBによる読み出し等) – KEK富士ビームラインでのビームテストによる評価 (位置分解能、S/N等) 2007/9/22 日本物理学会第62回年次大会 13
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