9月14日午後 S13会場

素粒子実験領域 読み出し

高輝度LHC-ATLAS実験に向けた
TGC検出器の前段読み出し回路に搭載するASICの動作検証
M2 伊藤 秀一A,B
戸本 誠A,B, 堀井 泰之A,B, 稲熊 勇人A, 佐々木 修B,C, 田中 真伸B,C,内田 智久B,C, 宮原 正也B,C, 池野 正弘B,C, 他ATLAS日本トリガーグループ
名大理A, Open-ItB, KEK素核研C
日本物理学会2018年秋季大会 9月14日 – 17日 @信州大学

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LHCと高輝度LHC●

Large Hadron Collider (LHC)CERNに設置された陽子陽子衝突型加速器。40 MHzで陽子バンチを衝突
重心系エネルギー : √s = 13 TeV、瞬間最高ルミノシティ : 2 × 1034 cm-2s-1
積分ルミノシティ(~2018) : 150 fb-1●

高輝度LHC (2026~)
重心系エネルギー : √s = 14 TeV、瞬間最高ルミノシティ : 7.5 × 1034 cm-2s-1
積分ルミノシティ: 4000 fb-1

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高輝度LHC-ATLAS実験とトリガーシステム●ATLAS実験
LHCの衝突点に設置された汎用検出器 ATLAS を用いた実験●

トリガーシステム- 膨大なデータの中から、興味のある事象を高速選別

40 MHz検出器

ハードウェアトリガー
メモリー

LHC ATLAS (2010~ )高輝度LHC ATLAS (2026~ )

トリガー
判定

ソフトウェアトリガー
メモリー

ハードウェアトリガー判定時間
2.5 μs
10 μs

トリガー
判定

記録

ハードウェアトリガーレート
100 kHz
1 MHz

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エンドキャップ部ミューオントリガーシステムの改良●

EIL4領域のチェンバーの取り替え●- ２層のチェンバーを3層のチェンバーに取り替えて、冗長性を向上させる。

トリガー・読み出し回路の取り替え- バッファー及びデータ転送幅を拡張- 全てのヒット情報を後段へ送る
M2、M3

Big Wheel(M1)

Big Wheel(M2/M3)

検出器付近
ASD
ボード

PSボード

回路室
トリガー
ボード

EIL4
M1

ビーム軸

EIL4

Patch-Panel(PP) ASIC

新しいTGC検出器用のASDボードが必要。

Service PatchPanel (SPP)4

全TGC検出器に対して新しいPSボードが必要高輝度LHCにおけるTGCの前段回路の放射線の見積もり
TGC

PSボード

PSボード
r>8m

ASDボード●Total Ionising Dose (TID)- 積分ルミノシティ4000 fb-1で、ASDボード : 31 Gy、PSボード : 6 Gy が予想される。

●

1-MeV neutron equivalent fux (NIEL)- 積分ルミノシティ4000 fb-1で、ASDボード : 2.2 × 1012 n/cm2、PSボード : 1.5 × 1011 n/cm2が予想される。

●

Flux of hadrons above 20 MeV (SEE)- 瞬間ルミノシティ7.5×1034 cm-2s-1で、ASDボード : 9.0 × 103 cm-2s-1、PSボード : 9.8 × 102 cm-2s-1が予想される。

放射線の種類や素子の種類に応じて安全係数を1.5 ~ 30に設定する。

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本講演の内容●

新しいTGC検出器用のASDボードの開発- 生産と動作検証の現状を報告する。

●

全TGC検出器用のPSボードの開発- PP ASICの開発の状況及び放射線による影響の対策の方針を報告する。

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新しいTGC検出器用のASDボードの開発- 方針 -

現行のASDチップの予備が十分にあり、性能も高輝度LHCの要求を満たすので、同チップを搭載したボードを製作する。

TGCからの信号に対し、・電荷電圧変換・増幅・波高弁別を行う。
ASD チップ
LHC開始以前のガンマ線照射試験で要求値170 Gyを超えるレベルまで検証済み。
2016年末までの実験で使用され、低レートでの照射されたASDチップの性能に劣化がないことも確認済み。

日本物理学会2018年3月伊藤 23aK205-1

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新しいTGC検出器用のASDボードの開発●- 現状 -

EIL4チェンバー取り替えにより、ASDボードが ~500枚必要→ 1000枚の生産が完了●●

ASDチップはSONYの生産ラインでテストされており、欠陥ボードの主な原因はハンダ不良
動作試験は、検出器信号経路とテスト信号経路の導通チェックに着目
チェンバー側

Video
amp

ASD
IC

ASD
IC

ASD
IC

ASD
IC

PSボード側これまでに600枚を試験し、不良ボードは1枚のみ

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新しいPSボードの概要
ASDボードツイストペア
ケーブル
ASDボードツイストペアケーブル●

ASDのVth
PP
ASIC

データ

DAC

SPI bus

PP
ASIC

SFP+

光ファイバー

Kintex-7

JTAG,
CLK,
Reset

FPGA
Control
bus

データ

トリガー
ボード

SFP+

Control
bus

PP
ASIC

PP
ASIC

ADC

ADC

DAC

SPI
Flash

ツイストペアケーブル

ASDのVthPP ASICASDボードからの信号のタイミング調節、40 MHzで発生する陽子衝突の識別●FPGA

PP ASICからの256チャンネルの信号と64ビットの回路設定値を40 MHzで高速転送
9→ 転送レート 16 Gbps (8 Gbpsを2レーン)

PSボード開発の現状及び課題●

従来のPP ASICを搭載した試作機を作成し、基本動作試験は完了した。
日本物理学会2017年3月宿谷琴子 20pA12-9

PP ASIC
PSボード試作機●

新しいPP ASICの開発、放射線の対策

Kintex-7
FPGA10PP ASIC試作機の開発状況
従来のPP ASICはスペアがないため、機能を改善させた新しいPP ASICを開発する。
共著者の宮原さんがASICの設計を行った。9月中旬に納品予定。
●

機能と特徴

2.5 mm × 2.5 mm

・Silterra Malaysia社 180 nm CMOSプロセス(従来は、ローム社 350 nm CMOS プロセス)・コア電圧 1.8 V (従来は、3.3 V)
・SPIプロトコルでのコントロール(従来は、JTAGコントロール)
・LVDS入力 / 1.8 V CMOS出力(従来は、LVDS入力 / 3.3V CMOS出力)・1ns刻みの可変遅延可変遅延回路のシミュレーション結果- 遅延幅を安定させるため位相同期回路を使用- 40 ns 以上まで遅延可能(従来は、25 ns程度まで)
・40MHzで発生する陽子衝突の識別
・ASDボードに対するテストパルス生成
・SEUの影響を軽減させる多数決論理
1111

PP ASIC試作機の動作試験の準備状況
電源
●

試験項目
各回路の動作検証- 全てのSPIレジスタ- LVDSレシーバー

LVDS入力ASICソケット
1.8V CMOS
出力- 可変遅延回路- 陽子バンチ識別回路- テストパルス回路

LVDS入力SPIバス

試験用ボードは完成。

マイコン

９月末からボードにパッケージされたPP ASICを搭載して測定予定。
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PSボードの放射線の対策の方針●

FPGAで生じるSEUを軽減させるシステムを開発。

●

ガンマ線と中性子を要求値を超えるレベルまで照射して、耐性をもつ素子を選定。

稲熊 14pS13-4

ガンマ線- 要求値は、ASICに対して27 Gy。民生品に対して180 Gy。

中性子- 要求値は、ASICに対して6.1×1011 n/cm2。民生品に対して9.2×1011 n/cm2。

2018年11月ごろに以下の素子のガンマ線照射試験を予定している。
- PP ASIC- ADC : ADS7953- DAC : DAC7578/7678- DC/DCコンバーター : TPS60500- LDO : TPS7A8500- Voltage reference : REF2025/5040

名古屋大学
コバルト60照射室

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まとめ
●

2026年開始予定の高輝度LHC-ATLAS実験では4000 fb-1の統計を目標とし、新粒子の探索を目指す。

●

エンドキャップミューオントリガーシステムのアップグレードを予定。

●

ASDボード・新しいTGC検出器用に生産した1000枚のASDボードの動作試験が進行中。
・600枚の測定を終え、不良は1枚のみ。

●

PSボード
・ 新しいPP ASICの開発
・試作ASICは9月中旬に納品予定。
・試験用ボードの製作は完了した。
・9月末から試作機の動作試験を開始する。
・ 放射線の対策
・今年の11月にガンマ線照射試験を予定している。
14Backup

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ASDボードの動作試験のセットアップ+3V/GND+3V/GND
トリガー
振幅操作-3V/GND-3V/GND

テストパルス

パルス
生成器

Vth1 pF

ASD
IC

1 pF

テストパルス
トリガー

LVDS

ECL

ロジック
アナライザー

LVDS
テストパルス
生成ボード

16-ch ASDボード

1999年製 テストパルス生成ボード

ツイストペアケーブル

ASDバッファー

NIM CXA3183 ASDバッファー

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ASDボードの動作試験
試験1におけるトリガー入力
振幅操作

試験２におけるトリガー入力+3V/GND-3V/GND
パルス
生成器

テストパルスVth = 0.2 V

1 pF

ASD
IC

1 pF

LVDS

ECL

ロジック
アナライザー

LVDS
テストパルス
生成ボード

16-ch ASDボード

1. 検出器信号経路のチェック- テストパルス生成ボードへトリガー入力- 全チャンネルのECL信号をチェック

ツイストペアケーブル
ASDバッファー

テスト信号経路のチェックでのロジックアナライザー出力
10 ns

2. テスト信号経路のチェック- ASDバッファーへトリガー入力- 全チャンネルのECL信号をチェック
テストパルスの波高: 0.4-0.5 V

これまでに600枚を試験し、不良ボードは1枚のみ。

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PP ASICのTID耐性
積分ルミノシティ4000 fb-1で、6 Gy程度。安全係数を考慮すると、要求値は 27Gy。
2010年に製作されたUMC社の250 nmプロセスの試作機では、耐性が確認。
可変遅延回路の各ステップの遅延時間

γ線照射前γ線照射後(100 Gy)

名古屋大学
コバルト60照射室

今回のSilterra Malaysia社の180 nmプロセスの試作機は、十分な耐性が期待できる。
けれども確認のため、ガンマ線照射試験は予定している。
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PSボードの放射線の影響●

Total Ionising Dose (TID) 効果- 半導体に入射した粒子が生成した電荷がゲート下の酸化膜に捕獲されることで、ゲート電圧の閾値の変化などの影響を与える。

●

Displacement Damage Dose 効果- 入射粒子が半導体の結晶格子を構成する原子を定常位置からはじき出すことで、諸特性が劣化する。バルク損傷とも呼ばれる。

●

シングルイベント効果- 1個の高エネルギー粒子の入射が半導体に引き起こす効果。
一時的な効果(Single Event Upset (SEU) )と永久的な効果(Single Event Latchup (SEL) 等)がある。

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