ATLAS実験アップグレード用ピクセル検出器の性能評価

ATLAS実験アップグレード用
ピクセル検出器の性能評価
荒井泰貴、花垣和則、池上陽一A、海野義信A、田窪洋介A、
Jia Jian Teoh、陣内修B、廣瀬穣B、中村浩二A、原和彦C、
他アトラス日本シリコングループ
阪大理、高エ研A、東工大B、筑波大C
LHC ATLAS 実験
- Large Hadron Collider (LHC)
‣
陽子・陽子衝突型加速器
‣
√s = 8 TeV
- ATLAS 検出器
‣
ヒッグス
‣
新粒子探索
2
PIXEL
STR
ATLAS ピクセル検出器
‣
‣
2023年 ~
ルミノシティ増大
!
‣
ピクセル最内層
1000
放射線量
[1014 1 MeV neq/cm2]
- HL-HLC アップグレード
3000 fb-1 x safety factor 2
total (z<150 cm)
charged (pi+p)
neutron
z=0 cm
z=300 cm
100
10
1
0
Pixels
0
Strips
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
半径 [cm]
放射線量 ~2 x 1016 1 MeV neqcm-2
1.9: HL-LHC10
[2]
(
2
（現行ピクセル検出器 : ~ 1015 1 MeV neqcm-2）
➡
新ピクセル検出器は高い放射線耐性が必要
12
3
ピクセル検出器の放射線耐性評価
ATLAS07 Mini Strip Sensors: CC
- 電荷収集効率の試験
‣
‣
‣
β線、ビーム等を使用
放射線量による変化を測定
~10 % の精度で測定したい
電荷収集量 [ke]
‣
ストリップ検出器での測定
ピクセルセンサー : 読出し
に ASIC 必須
➡
25
!!!!!
20
15
10
5
0
Neutrons-Micron
Pions-Micron
26 MeV Protons-Micron
24 MeV Protons-Micron
Neutrons-HPK ATLAS
70 MeV Protons-HPK ATLAS
10
100
放射線量 [1014 1 MeV neq cm-2]
500V
CC
Expected
Strip length
noise
1
5.6x1014 n/cm2
13 Ke-
1186 e-
95 mm!
1.2x1015 n/cm2
10.6 Ke-
607e-
24 mm!
ピクセル検出器でも電荷収集効率を測定し、
Liv Wiik - ATLAS Tracker Upgrade - IPRD 2010 Siena
放射線耐性を評価したい
4
アップグレード用ピクセル検出器
- ピクセル数 : 80 columns x 336 rows
- ピクセルサイズ : 50 x 250
μm2
- Time Over Threshold (TOT) で電荷量
測定
‣
20.0 mm
18.6 mm
- ASIC に ADC 無し
試験用ピクセル検出器
既知の試験電荷でピクセル毎に
較正
pulse
threshold
TOT
センサー
読出しASIC
5
アップグレード用ピクセル検出器
- 本発表の内容
試験用ピクセル検出器
TOT → Charge の較正
‣
β線、宇宙線による測定
•
‣
期待した結果が得られない
20.0 mm
18.6 mm
‣
Geant4 シミュレーション
pulse
threshold
TOT
センサー
読出しASIC
6
TOT 較正
- ピクセル毎に試験電荷の電荷量を細かくスキャン
‣
各ステップ 100 発の試験電荷
‣
各 TOT が何発返ってくるかをプロット
- ピクセル毎に TOT → Charge 変換
TOT [BC]
Pixel 2D Histo 0
12
12
10
10
8
8
100
90
12
80
mean
10
8
60
40
30
4
20
6
4
2
10
4
2
.
.
.
70
50
6
6
1 pixel
0
2
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
Injection Charge [a.u.]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
x 26,880
pixels
7
TOT to Charge
- クラスタリング
‣
周囲のピクセルのヒットを探し
足し合わせる
Pixel
TOT=2
‣
周囲に新たなヒットが無くな
るまで繰り返す
TOT=3
TOT=4 TOT=5
Seed
Cluster
!
- クラスタ中のピクセル毎に電荷に
変換後足し合わせる
8
β線源を用いた測定
β-source
(90Sr)
- 得られた変換表で電荷に変換
Cluster Charge
#
800
Cluster Charge
ClusterCharge
700
9190
18.45
RMS
8.005
Peak = 14.4 ke
600
500
400
200
100
0
10
20
#
30
40
50
60
(25 mm, Φ=1.5 mm)
Sensor
(320 μm)
Expected:
MIP ~ 23 ke
300
0
Entries
Mean
Al Collimator
ASIC
e-
Scintillator
(6.5 x 6.5 x 5 mm3)
70
Charge [ke]
Cluster Size
Cluster Size
Mean = 2.17
103
MIP で期待される電荷量
に足りない
➡
102
10
原因の調査と現状
について報告
0
2
4
6
8
10
# of Pixel / Cluster
9
Threshold の影響
pixel
- Threshold 以下の電荷は検出されない
- Charge sharing でできた小さな電荷を失
い全体の電荷が小さくなる可能性
- Threshold=3000 から 7000 まで変化させ
β線源で測定
Threshold dependence
3000 e
5000 e
7000 e
10
8
6
4
Charge [ke]
a.u.
Threshold Dependences (scaled)
20
19
Mean
Peak
18
17
16
15
2
14
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
Threshold [e]
10
宇宙線の測定
Scintillator
(30 x 10 x 5 mm3)
- 真に MIP と考えられる
β線での測定と比較
‣
- 検出器上下2つのシンチの
コインシデンスでトリガー Scintillator
(6.5 x 6.5 x 5 mm3)
Beta source
Cosmic ray
9
8
7
Cluster Size (Scaled)
a.u.
a.u.
Cluster Charge (scaled)
102
6
5
Expected:
MIP ~ 23 ke
4
3
2
10
1
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
0
2
4
6
8
10
# of Pixels/Cluster
11
宇宙線の測定
Scintillator
(30 x 10 x 5 mm3)
- 真に MIP と考えられる
β線での測定と比較
‣
- 検出器上下2つのシンチの
• 依然電荷量は低い
コインシデンスでトリガー
Scintillator
3)
(6.5
x
6.5
x
5
mm
• β線と宇宙線で違いがある
Cluster Size (Scaled)
Beta source
➡ ray
Geant4 でシミュレーション
Cosmic
a.u.
a.u.
Cluster Charge (scaled)
9
8
102
7
6
シリコンセンサー内で
MIP
相当
Expected:
MIP ~ 23 ke の電荷を落とすのか
‣
5
4
3
1
2
1
0
10
0
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
‣
β線と宇宙線で違いがあるのか
0
2
4
6
8
10
# of Pixels/Cluster
12
Geant4 シミュレーション
- 検出器等
β線測定
宇宙線測定
プラスチック
カバー
センサー
ASIC
Al コリメータ
トリガーシンチ
13
Geant4 シミュレーション
-
90Sr
β線源
90Sr
エネルギースペクトル
3
×10
‣ 90Sr
→ 90Y → 90Zr
< 2.28 MeV
< 0.55 MeV
!
!
- 宇宙線ミューオン
cos2θ
‣
天頂角分布 ∝
‣
エネルギー : 100 MeV - 1 GeV
一様分布
#
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
3
0
0.5
1
1.5
2
×10
2.5
Energy [MeV]
!
• 低エネルギーまで (250 eV - 1 GeV)
記述できる電磁相互作用モデル
14
シミュレーション結果
Cluster Size
β線 10
Cluster Charge
Cluster Size (beta)
Cluster Charge (beta) (scaled)
10
10
a.u.
a.u.
1033
10
102
2
測定
シミュレーション
88
66
10
10
44
22
11
00
22
44
66
88
00 0 10 20 30 40 50 60 70
0 10 20 30 40 50 60 70
10
10
Charge [ke]
# of Pixels / Cluster
宇宙線
Cluster Charge (cosmic) (scaled)
Cluster Size (cosmic)
a.u.
a.u.
9
102
10
2
88
7
66
5
44
10
10
3
22
11
1
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
# of Pixels / Cluster
00 0 10
20
30
40
50
60
70
30
40
50
60
70
0 10 20
Charge [ke]
15
クラスタサイズ（CS）毎の電荷分布
Cluster Charge at Each Cluster Size (Beta, Geant4) (scaled)
Cluster Charge at Each Cluster Size (Beta) (scaled)
20
20
10
10
18
a.u.
a.u.
β線
測定
シミュレーション
16
16
14
12
12
88
66
10
88
44
6
44
- シミュレーション
22
2
00 0 10 20 30 40 50 60 70
0 10 20 30 40 50 60 70
00 0 10
20
30
40
50
60
70
30
40
50
60
70
0 10 20
Charge [ke]
Charge [ke]
宇宙線
Cluster Charge at Each Cluster Size (Cosmic, Geant4) (scaled)
Cluster Charge at Each Cluster Size (Cosmic) (scaled)
10
10
a.u.
16
16
88
‣
CS 大 → 電荷大
!
≠ 測定
18
a.u.
Cluster size 1
Cluster size 2
Cluster size 3
14
12
12
66
10
88
44
6
44
22
2
00 0 10
20
30
40
50
60
70
30
40
50
60
70
0 10 20
Charge [ke]
00 0 10
20
30
40
50
60
70
30
40
50
60
70
0 10 20
Charge [ke]
16
センサー信号と試験電荷の違い
3
Tuning
× 10
Threshold=3000e
45
IBL Method (KEK9)
ToT=10@20ke
40
IBL Method (KEK22)
× 10
Charge [ke]
3
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
55
00
0
0
45
IBL
Method (KEK9)
Calibration
: 150
μm
40
IBL
Method (KEK22)
Calibration
: 320
μm
3
35 × 10
KEK9 Beta
KEK9 Beta
cluster
size=1
の
IBL
Method
(KEK9)
KEK22 Beta
TOT
peak
IBL
Method
(KEK22)
KEK9 Cosmic
320KEK22
μmBeta
~23ke
KEK9 Cosmic
45
30
150KEK22
μmCosmic
~11ke
35
20
beta
: 150
KEK9
Beta
KEK22
Cosmic
μm
30
15
KEK22
Beta
beta
: 320
μm
25
10
KEK9
Cosmic
cosmic
: 150
μm
20
5
KEK22
Cosmic
cosmic
: 320
μm
22
44
66
40
25
88
10
10
12
12
14
14
TOT [BC]
15
0
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
10
- 予想される電荷量を仮定し TOT をプロット
5
0
➡ TOT
0
2
4
6
大きい側の振舞いは正しく見える
17
結論
- ATLAS アップグレード用ピクセル検出器は高い放射線
耐性が必要
- 放射線耐性評価のため電荷収集効率の試験
- 線源等での測定で期待される電荷量が得られない原因
を調べている
‣
β線と宇宙線で電荷量に違い
•
Geant によるシミュレーションでは違いがない
- TOT の小さい側の振舞いが理想的でない可能性
18
Backup
Upgrade of the読出し
pixel ASIC
detector
Intro: New Front End IC
• Readout ASIC : FE-I3 --> FE-I4.
➡Smaller pixel size, Faster readout speed.
- To cope with higher hit rate.
FE-I3
FE-I4
Intro: New Front End IC
20mm
Pixel size
(µm2)
20mm
FE-I4
FE-I3
50 X 400 50 x 250 25x15
FE-I3
FE-I4
FE-I4
FE-I3
FE
Pixel array 18 X 160 80 x 336 136x33
(total
Pixel
size
(26880)
(45696
Pixel#)
size (2880)
50
x
400
50
x
250
50 X 400 50 x 250 25x
2)
(µm
(μm
Data
Rate
40
360(?
160
(Mb/s)
Pixelarray
array 18
Pixel
18Xx 160
160 8080x x336
336136x
(total #)
(2880) (26880) (456
CMOS
(total #)
(2880) 130
(26880) 65
250
process
(nm)
Data
Rate
Data
Rate
40
160
(Mb/s)
40
160 360
(Mb/s)
CMOS
6
!Largest
IC in250
HEP to 130
date.
CMOS(nm)
process
250
130
!Higher
radiation tolerance.
process
(nm)
10.8mm
10.8mm
19mm
19mm
FE-I4
FE-I5
7.6mm
FE-I3
4
!Smaller pixel size:
!Largest IC in HEP to date.
!improved spatial resolution
!Higher radiation tolerance. 20
DAQ システム
FEI4A
single chip card
20.0
mm
• Using FPGA
• to communicate
with FE
18.6 mm
daughter
board
NIM input
(external trigger)
SEABAS 2
readout board
FPGAs
PC
21
60
60
2000
50
1000
0
0
10
20
30
100
50
Tuning & Calibration
40
50
60
70
80
0
0
0
10
20
30
40
50
20
15
10
5
70
80
0
14000
300
RMS
12000
250
Overflow
2
10000
200
/ ndf
Constant
700
568.1 / 29
10
600
0
1.533e+04 ± 1.182e+02
8
Mean
150
6000
800
17
12
2.523e+04
Prob
8000
900
14293
Integral
500
2973 ± 0.4
Sigma
64.17 ± 0.28
400
6
100
4000
300
50
2000
2
0
0
10 2000203000 30
40 6000
50 7000
608000 70
80
00 1000
4000 5000
900010000
Threshold[e]
Entries
25536
Mean
14
18000
RMS
12
16000
Underflow
0
14000
Overflow
0
Integral
12000
6
4
Mean
272.3 ± 0.3991
63.41
Tuning
Underflow
293
Overflow
2
Threshold
:
3000
e
Integral
2.524e+04
/ ndf
1838 / 93
Prob : 10 @ 20
0
TOT
ke
RMS
45
40
2
35
30
Constant
25
Mean
Sigma
943.4 ± 7.7
274.7 ± 0.4
49.54 ± 0.25
20
15
100
10
100
200
300
400 5 500
0
20000
8
×10
200
0
0
h1_ToT4Verify_0
10
0
4
Threshold [e]
16
80
25536 Curve
Calibration
Entries
3
151.5
Underflow
70
Calibration curve
25536
16
2973 ± 0.9537
Mean
Charge [ke]
25
# of Pixels
Entries
60
h1_Noise4Verify_0
h1_Threshold4Verify_0
30
50
0
600
2
700 800
Noise[e]
4
6
8
10
12
14
TOT [BC]
9.833 ± 0.003439
0.5495
2.554e+04
10000
8000
6000
4000
2
70
80
0
2000
0
0
2
4
6
8
10
12
14
TOT [BC]
22
Bias Voltage VS Charge
Charge [ke]
Cluster Charge vs Bias
20
18
16
14
12
10
Mean (150 um)
8
Mean (320 um)
6
Peak (150 um)
Peak (320 um)
4
0
50
100
150
200
250
300
Bias [V]
23
(raw
40
8b/10b encode
Analog
Figure 8: Simplified schematic of the configuration path for typical single-chip operation.
Circuit blocks shown are analog column (A), digital double column (DDC), global configuration memory, analog bias digital to analog converters (DACS), command decoder (CMD),
phase locked loop clock multiplier (PLL), end of chip logic (EOCHL), and data output block
(DOB).
センサー
テストパルス
Figure 9: Analog pixel schematic diagram. Output pins are solid, input pins are open.
v11.6
22
24
Beta source
Cosmic ray
シミュレーション結果
シミュレーション
a.u.
Cluster Size (Geant4) (Scaled)
測定
Cluster Size (Scaled)
mean (cosmic)
mean (beta)
peak (cosmic)
peak (beta)
102
102
10
10
1
1
0
2
4
6
8
10
# of Pixels
2
4
6
8
10
# of Pixels
Cluster Charge (scaled)
Cluster Charge (Geant4) (scaled)
a.u.
0
9
10
8
7
8
6
4
Charge [ke]
Graph
30
28
26
MIP
24
22
20
18
16
6
14
5
12
4
測定
3
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
シミュレーション
2
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
25
Threshold 依存性（シミュレーション）
- シミュレーションで threshold=3000e - 6000e まで変
化させる
Cluster Charge Threshold Dependences (Beta)
Threshold=3000e
Threshold=5000e
Threshold=7000e
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Cluster Charge Threshold Dependences (Cosmic)
Charge [ke]
Threshold dependence
30
1200
mean (cosmic)
mean (beta)
peak (cosmic)
peak (beta)
28
1000
26
800
400
22
200
0
0
threshold値による
24
600
大きな変化なし
20
3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
10
20
30
40
50
60
70
Charge [ke]
Threshold [e]
26
シミュレーションでの物理プロセス
- Multiple scattering
pixel
250x50 μm
Φ
θ
θ’
Sensor
ΔΦ = Φ’ - Φ
Delta Theta
180
a.u.
a.u.
Delta Phi
Δθ = θ’ - θ
40
160
35
Beta source
Cosmic ray
140
30
120
25
100
20
80
15
60
10
40
5
20
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
ΔΦ [rad]
0
-3
-2
-1
0
1
2
3
Δθ [rad]
27
シミュレーションでの物理プロセス
- EM shower
10 x 10 x 10 cm3 のシリコン塊
に 1GeV electron
‣
シャワーが起こることを確認
Si 塊
10 cm
‣
10 cm
!
- dE/dx は ionization によるもの
‣
Si : X0 ~ 10 cm
photon による dE/dx なし
28
TOT 較正
- ピクセル毎に試験電荷の電荷量を細かくスキャン
‣
各ステップ 100 発の試験電荷
‣
各 TOT が何発返ってくるかをプロット
- ピクセル毎に TOT → Charge 変換
TOT [BC]
Pixel 2D Histo 0
12
12
10
10
8
8
100
90
12
80
10
70
60
8
50
6
6
40
30
4
20
6
4
2
10
4
2
.
.
.
1 pixel
0
2
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
Injection Charge [a.u.]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
x 26,880
pixels
29

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