蚊取りセンサー
京都大学 原子核ハドロン研究室 D1
外川 学
動機
• RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider )
は主に、核子あたり200GeV/c 金金
衝突によって生成されると期待され
るQGP状態や、最大500GeV/cの偏極
陽子陽子衝突により、核子内部パー
トンの偏極状態を研究目的として現
在稼働中である。
• RHICにおける大型実験装置PHENIX
では、衝突点周りを|η|<2.4で覆う
PHENIX VERTEX TRACKERが現在
アップグレードとして挙げられてい
る。
- 衝突点を知る
->寿命の長いDやB中間子を精度
良くおさえる
- 衝突点を広範囲で 覆う
->ジェットイベント
RHIC ring
PHOBOS
PHENIX
BRAHMS
STAR
Spin Rotators
PHENIXの全体像
Siberian
Snakes
概観
QuickT imeý Dz T IF F Åià
èkǻǵÅj êLí £ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉ sÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ ­Ç
ÅB
8 0c m
エ ン ド キャ ッ プ 部
エンドキャップ部
|η |< 1 .2
1.2<|η|<2.4
バレル部
バレル部
1 .2< |η |< 2. 4
|η|<1.2
|η|<0.35
Be ÉrÅ[ÉÄÉpÉCÉv R0~ 2.0cm
Quic kTimeý Dz T IFFÅià
è kǻǵŠj êLí£ÉvÉ çÉOÉâÉ Ä Ç™Ç±ÇÃÉ sÉN É`ÉÉǾ å©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç 
ÅB
ÉsÉNÉZÉã
ÉVÉäÉRÉìÉXÉgÉäÉbÉv
ÉsÉNÉZÉã
1.15<|η|<2.44(N)
Pixel barrels (50 mm x 425 mm)
Strip barrels (80 mm x 3 cm)
Pixel disks (50 mm x 2 mm)
Charm Beauty
CharmやBeautyの生成素
過程のほとんどがグルー
オンフュージョン
グルーオンの性質
・spin physics
データの純度をあげることによ
り、長いxB rangeでの偏極グル
ーオン構造関数の決定。
・Heavy Ion
低いxB rangeまでおさえられる
ので、グルーオンシャドウィン
グの観測。
・…
寿命の長い粒子はその崩壊点がビームの衝突点からずれる。
e
このずれを最近接距離といい、DやB起源のeやμを衝突点起源のもの
と区別する。
D
Au
Au
D
K
B
p
J/
X
D0
m D±
m B0
B±
Mass(GeV) ct (μm)
1865
125
1869
5279
5279
317
464
496
偏極グルーオン構造関数
グルーオンシャドウィング
半導体検出器 (1)
半導体検出器は一種の電離箱
信号
必要なエネルギー/1こ
ガス検出器 : 陽イオン+陰イオン
~30eV
半導体検出器 : 電子+正孔
~ 3eV
主な利点 : 薄い設計が可能。真空での動作が容易。
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ÅB
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ÅB
厚さ d ~
2Vmd
ρd(Ωm) : 空乏層の非抵抗
μ : 移動度 v/E0 (電子、正孔の速度)
ε : 誘電率
半導体検出器 (2)
フェルミ分布関数
P(E) 
1
(EE f )/ kT
1 e
によると、有限の温度では微
小の電流が流れる。
-> もれ電流
Quic k Timeý Dz TIFFÅiLZWÅj êLí£É v Éç ÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉs ÉNÉ `ÉÉ Ç¾å©ÇÈ ÇžÇ½Ç…ÇÕï Kóv Ç
半導体の場合、フェルミエネルギーはConduction BundとVarence Band
の半分なので、Conduction Bandにいる電子の確率は、
P(E) 
1
1 e
E f / 2kT
 E f 
 exp

 2kT 
-> 温度が低い方が良い
片面2次元読み出し
・放射線耐性に優れている。
・構造が簡単なので、歩留まりが良い。
p+電極アルミ電極をつける際に、ダブルメタル構造を採用することに
よって実現。 Zheng Li (BNL instrumentation div.)
+ + + -
蚊取りセンサー
Q uic k
Tim eý Dz TI F F
ÅiLZWÅj ê
L í £ÉvÉçÉ OÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉ N
É` ÉÉǾ å
© ÇÈǞǽ Ç
…ÇÕ ï Kó
v Ç­ Ç•
ÅB
X-pixel
(1st metal)
x: p+
Q uic k
Tim eý Dz TI F F
ÅiLZWÅj ê
L í £ÉvÉçÉ OÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉ N
É` ÉÉǾ å
© ÇÈǞǽ Ç
…ÇÕ ï Kó
v Ç­ Ç•
ÅB
989μm
u: p+ ì dã…
2nd Metal
X-strip
Y-pixel
(1st metal)
2nd Metal
Y-strip
Go to
Bonding
Pad for
X-strip
ì dã…
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ÅB
80 mm
7μm
71μm
Bonding
Pad for
Y-strip
FWHM
for charge
1000 mm
Z. Li, Inst. Div., BNL
ìd ã…(u)
diffusion
*èkǽ Ç ƒÇ †Ç È
u
u
x
x
- 2 metal (Al) layers
- thickness: 400mm and 250mm
- DC coupling
- full depletion at ~80 V
- capacitance ~10 pF
- leakage current ~10 nA
いろんな構造できます
By Zheng
VA2 chip
(マルチプレキサータイプのpreamplifier)
QuickT imeý Dz T IF F ÅiLZ WÅj êLí£ÉvÉ çÉOÉâÉÄ Ç™Ç ±ÇÃÉsÉN É`ÉÉ Ç¾å©ÇÈÇ žÇ½Ç…ÇÕ ïKóvÇ­Ç•
ÅB
128 channel preamplifier-shaper circuit
ゲイン
: ~30mV/fC
リニアレンジ
: ~30fC (両極性の時は15fC)
ピーキングタイム : 可変で1μsec〜3μsec
典型的なノイズ : 80+15/pF e-rms (ピーキングタイム1μsec)
: 60+11/pF e-rms (ピーキングタイム2μsec)
出力
: 差動読み出し(out+,out-)
最大読み出しクロック : 10MHz
消費電力
: 静的状態(170mW)、
ピーキング時(177mW)、最低(68mW)
セットアップと読みだし
・ワイヤーボンディング
センサーとFIFO board : アルミ (80μm)
FIFO boardとVA2チップ : 金 (80μm -> 50μm)
・読み出しにはVA2を制御することに特化しているV551B、V550(ADC)を使用。
デイジーチェーンで繋ぐことにより複数のVA2チップをシーケンシャルに読み出せる。
・V551BのロジックレベルとVA2チップのレベルが違うので、
変換ボードを製作 (SYMTEC)
アルミワイヤー
VA2チップ
金ワイヤー
FIFO board
センサー
QuickTimeý Ç ² TIFFÅiLZW Åj êLí£ÉvÉç ÉOÉâÉÄÇ™ Ç ±Ç ÃÉs ÉN É`ÉÉÇ ¾å©Ç ÈÇ žÇ ½Ç …Ç ÕïKóvÇ ­Ç•
ÅB
性能評価
• シリコンストリップ検出器の性能を評価する値
->「検出効率」「位置分解能」「電荷分割」が重要。
• 期待としては
「検出効率」 -> ほぼ100%
「位置分解能」-> 80/√12 (23)μm以下
「電荷分割」-> 電荷がxとu電極に等分配されるかが重要。
非対称ならば不均一な検出効率に繋がる。
パラメーターとして、電荷分割の非対称性
(チャージアシンメトリー : AQ)を定義。
• 今回は400μm、250μmのシリコンストリップ検出器に対して性能評
価を行った。
βソースでのテスト実験
3枚のシリコン検出器を
テスト。調査目的は、
・ゲインの補正
・S/N比
・電荷分割
・ADCスペクトラム
QuickTimeý Dz TIFFÅiL ZWÅ j êL í£ÉvÉçÉOÉâ ÉÄ Ç™Ç ±ÇÃÉsÉNÉ` ÉÉǾå©ÇÈÇ žÇ½Ç…ÇÕ ïKóvÇ­Ç•
ÅB
5*5*(厚さ)0.5cm
プラスチックシンチ
Si
電子: 2.28MeV
Lakaghe current (uI) Chrge x (channel)
βソース
10
1
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ÅB
10-1
10-21
10
Bias(V)
102
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ÅB
0
50 Bias(V) 100
silicon strip 400μm
bais +50V
S/N比
silicon strip 400μm
bais +50V
電荷分割(βソース)
・電荷分割A_Qの揺らぎ
~ 0.18
・電荷分割は電荷の総量が多くな
るほど、細くなっていく傾向が
見られる。
・黒以外の帯は、クラスターを組
む際にx、uで、一方、もしくは両
方でノイズを引っ掛けているイ
ベント
(cluster efficiency)
電荷分布の評価
青:実験データ
*・入射β線のエネルギー分布の揺らぎ
・ゲイン補正の揺らぎが考えられる
赤:simulation(geant3)
ノイズ
(ガウシアン)
σ~9.6%
AQ σ~0.18
Landau(Vavilov)+Gaussian
で理解できる形
アディショナル
(ガウシアン)*
σ~11.0%
KEK PS T-1ビームラインでの実験(T534)
ビームは0.5-2.0GeV/cの荷電粒子で、
・多重散乱の少ない高エネルギービームを
用いて、トラックをひき、位置分解能や
検出効率を求める。
シリコンストリップは7枚使用
・入射角度依存性
を高統計で評価できる。
QuickTimeý Ç ² TIFFÅiLZW Åj êLí£ÉvÉç ÉOÉâÉÄÇ ™Ç ±Ç ÃÉs ÉN É` ÉÉÇ ¾å©Ç ÈÇ žÇ ½ Ç…Ç ÕïKóvÇ ­Ç •
ÅB
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ÅB
ガ ス 用 チュ ー ブ
シリコン
用マ ウ ント 板
トラッキング
トラッキングに使ったせン
サーは上流から2~6枚目まで。
Residualや検出効率を求め
る際には、調べたい1枚をの
ぞいて引いたトラックで、期待
される位置を出しておく。
トラックによる位置がhot、
deadチャンネル
-> マスクする。
Residualと検出効率
調べたい1枚を抜かした4枚で引いたトラックとの差を
Residualとする。
検出効率は以下のように定義。
(5枚のヒット数)/(調べたい検出器以外4枚のヒット数)*100
400μm
250μm
Silicon#
Residual(um)
(%)
検
出
効
率
250μm
400μm
赤 : Residual x
青 : Residual u
Silicon#
電荷分割(KEK)
0°
u大
x大
15°
u大
x大
30°
u大
x大
・0°の時に2山見える。
-p+電極とp+電極の間隔13(μm)がクラスターサイズより小さいことが考えられる。
実験のまとめ
・PHENIX VERTEX TRACKTERのストリップ部の候補として挙がっている、新型片面
読み出し2次元シリコンストリップ検出器に対して、β線とKEK PS T-1 ビームライ
ンを使って性能評価を行った。
・S/N比はβソース時で、
400μm(50V) x:13.23 ± 0.17
250μm(60V) x:7.97 ± 0.08
u:16.91 ± 0.18
u:7.51 ± 0.10
・AQの揺らぎは~0.18(βソース時)で、またKEKにおいては、0°入射の時にAQが2山
見えた。これはp+電極とp+電極の間隔13(μm)がクラスターサイズより小さいことが考えら
れる。
・Residualは真ん中の検出器(400μm)に対して、
x : 43.76±0.13(μm)
u : 37.53±0.90(μm)
・検出効率は、
400μm : 98.23±0.28(%)
250μ : 58.33±1.33(%)
400μmは要求を満たしているが、250μmに関しては満たしていない。
(S/N比が悪いことが起因してると考えられる)
Back up 1
Generations of SVX Silicon Strip Readout Chips
SVX
Development
1986-89
Foundry
UTMC
Feature size
3.0 µ
Channels
128
Beam Crossing 3 µsec
Storage
None
Signal output
Analog
Programmable No
Deadtimeless
No
Chip Size (mm) 6.3x4.6
Radiation
? Mrad
Experiment
CDF
SVX2
1993-96
UTMC
1.2µ
128
132/396 ns
32 cells
8 bit
Yes
No
6.3x8.9
10 Mrad
DO
SVX3
1995-98
Honeywell
0.8µ
128
132/396 ns
42 cells
8 bit
Yes
Yes
6.3x11.9
10 Mrad
CDF
SVX4
2000-03
TSMC
0.25µ
128
132/396 ns
42 cells
8 bit
Yes
Yes
6.3x9.0
50 Mrad min
CDF/DO
Comb (separate version)
Unit : μm
8
80
1 cell
(80*1000)
x
u
x
u
x
u
Number of channel is same as spiral.
(384*2 channel)
Comb (overlap version)
Unit : μm
8
u
160
80
1 cell
(80*1000)
x
u
x
u
Number of channel is same as spiral.
(384*2 channel)
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シリコンと蚊取り線香