RHIC-sPHENIX実験における中間飛跡検出器INTT用シリコンセンサーの性能評価 とテストベンチ構築

2019 / 03 / 01
奈良女子大学 高エネルギー物理学研究室
一色 萌衣

呉羽 広子

杉野 和音

目次
• 研究背景と目的• テストベンチの構築• 性能評価• まとめ

20190301
卒業研究発表2

研究背景と目的
・sPHENIX実験
・中間飛跡検出器INTT
・卒業研究概要

20190301
卒業研究発表3

sPHENIX実験
・アメリカブルックヘブン国立研究所
RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)加速器での実験
・2000年〜2016年まで稼働していたPHENIX実験を高度化
2023年から稼働予定
・高エネルギーに加速した重イオン同士を正面衝突させたら、QGPを実験室で作り出せる！！
上図：RHIC加速器

QGP(クォーク・グルーオンプラズマ)

圧力

温度

QGP

・高温、高密度でハドロンの閉じ込めからクォークとグルーオンが解放されたプラズマ相
・ビックバンから約10-5[s]後に実現していたとされる

2019/03/01

20190301
卒業研究発表4

中間飛跡検出器INTT
下図：sPHENIX測定器

INTT(INTermediate silicon Tracker)
上図：飛跡検出器

・sPHENIX実験の３つの飛跡検出器のうちの１つ

・樽状の４層構造のストリップ型シリコンセンサー
・ビームパイプから6cm~12cmに位置
・時間分解能が高く、飛跡再構成などにおいて重要な役割を担う。
2019/03/01

20190301
卒業研究発表5

卒業研究概要【研究内容】
INTT用シリコンセンサー及び読み出し回路に対する性能評価
INTTシリコンセンサーのテストベンチの構築【性能評価方法】
・キャリブレーションパルスによるノイズ評価
・セルフトリガーを利用したβ線源による性能評価
・外部トリガーを利用した宇宙線による性能評価

20190301
卒業研究発表6

テストベンチの構築
・テストベンチハードウェア環境と回路ブロック図・INTT用シリコンセンサー
・シリコンセンサー読み出しチップ(FPHX)
・測定方法
20190301
卒業研究発表7

テストベンチハードウェア環境と回路ブロック図
テストベンチ全体図

FEM
Ext Trig

SiliconSensorFPHX

ROC

Self Trig

Delay

PC
Users

アナログ信号処理チップ

初段データ収集• データフォーマット変換• PCへデータの送信• トリガー生成（Self, Ext）
20190301
卒業研究発表8

INTT用シリコンセンサー

FPHX チップ

HDI
シリコンセンサーへの粒子入射方向

20190301
卒業研究発表9

シリコンセンサー読み出しチップ(FPHX)
プログラム可能

FPHXとセンサーの拡大図• 1 FPHX当たり、128ch分の信号を担うDAC閾値

電圧値(mV)

0

20

290

1

25

310

2

48

402

• 各閾値をプログラム可能(効率的に使用できる)

3

98

602

4

148

802

• 電荷アンプの増幅率

5

172

898

＝300mV/fC

6

223

1102

7

248

1202

• 電荷アンプ＋ADC• Ch毎に3bitADC装備※電圧値=210+閾値×4
20190301
卒業研究発表10

測定方法
ROCで生成したTestPulse(模擬信号)を，ROCからFPHXチップに入力し、チップからの出力を確認。

キャリブレーションモード

SiliconSensor

FPHX

Test
Pulse

Test Pulse 生成

ROC

FEM

PC

宇宙線や線源のデータ測定に使用

セルフトリガーモード

外部トリガーモード

FEMが発行するトリガー。DACの最低閾値をトリガーとし、閾値以上の信号を全て獲得する。
>>常にノイズと背中合わせ
シンチレーションカウンタを外部トリガーとし、セルフトリガーとのANDをとった信号のみを獲得する。 >>ノイズの減少が図れる
20190301
卒業研究発表11

性能評価
・ノイズ評価・β線源による性能評価
・宇宙線測定による性能評価

20190301
卒業研究発表12

ノイズ評価・キャリブレーションテスト
・キャリブレーションテスト結果 (26chip)・ノイズ評価 概要
・ノイズ評価 結果
・ノイズ評価 レート編
20190301
卒業研究発表13

ノイズ評価キャリブレーションテスト
目的
方法

閾値設定

キャリブレーションモードで各Chにダミーパルスを入力し応答を調べる。
パルス波高を0－63まで変える。各波高で20回測定を繰り返し、応答(再現性)を検証。

結果 (1chip分)
全128chの波高毎のパルスに対する応答 ： 全chで閾値が正常に動作している。
波高毎のパルスに対するDAC応答 ： パルス波高とDACに正の相関がある。
全128chの波高毎のパルスに対する応答

DAC

DAC0の閾値
付近で急激に応答が始まる

波高毎のパルスに対するDAC応答波高

応答回数(最大20)

1chの応答：
各波高毎に20パルス入力

期待どおりの動作

全てのChで期待どおりの動作

波高

Ch※電圧値=210+閾値×4

正の相関がある。

波高

20190301
卒業研究発表14

ノイズ評価キャリブレーションテスト 結果 (26chip)

全Chで正常動作を確認

data : 20190213-1459
INTT L2

20190301
卒業研究発表15

ノイズ評価

ノイズ評価 概要
目的： データに対するノイズの影響を配慮すべきかどうか定量的に判断すること。今回は最低閾値に対するノイズの大きさを求める。

Fit関数からσの算出

応答回数(最大20)

1chの応答：各波高毎に20パルス入力

ノイズの影響で立ち上がりが緩やかDAC0閾値
波高29.3ノイズの幅 = σ

波高

赤：二項分布エラー付きのデータプロット 緑：Fit関数※エラー関数 ( erf )

1.0

2.0

20190301
卒業研究発表16

ノイズ評価ch数

ノイズ評価 結果とまとめ波高の平均値

3.276±0.7374
今回設定したDAC0閾値はノイズの波高平均値から約31.6σ離れているといえる。
波高
20190301
卒業研究発表17

ノイズ評価

ノイズ評価 レート編 概要
レート算出式

レート設定

chip_id 24
chan_id 63

1chip のレート
この範囲

4σ

レート(％）

応答回数(最大20)

ノイズの分布の中心値から4σ離れた波高値を始点とし、テストパルスの波高の最大値64までの範囲でentryが20入っている割合を求める。

10
099
98

ノイズ分布の中心値

97
96

波高

95

ch

20190301
卒業研究発表18

ノイズ評価

ノイズ評価 レート編 結果
chip_id 1

26chip の1chip毎のレート

26chip分のレートヒストグラム

entry

100%
95%

chip_id 26

レート(％)
26Chip分の総レートと、chip毎のレートが一目で分かる。
今回は全てのレートが95%以上であることがわかる。
20190301
卒業研究発表19

β線源による性能評価
・β線源(90Sr)による測定の概要
・Set up・シリコンセンサーにおけるエネルギー損失
・β線源がシリコンを通過する際のエネルギー損失
・β線源によるセルフトリガーモードでの測定
・測定結果
20190301
卒業研究発表20

実際の90Sr

β線源による性能評価

β線源(90Sr)による測定の概要【目的】
線源はレートが高く、多くのイベントを獲得できる。また、宇宙線と比較的近い電圧値を示すため、宇宙線測定の前実験としてシリコンセンサーの性能評価を行う。
【方法】
セルフトリガーモードを利用する。センサーの上に薄いプラスチックのカバーを乗せ、その上にβ線源を設置。
線源の真下にあるシリコンセンサーが反応を示すか確認した。
β線源：90Sr / 90Y
Emean＝0.927[MeV]

半減期：27 [year] / 64 [hour]
崩壊方式：90Sr

90

β0.546[MeV]

Y

90

Zr

β2.28[MeV]

これは最大エネルギーであり、今回はエネルギーが高く保持される確率の高い90Yの崩壊で放出される電子のエネルギーを採用する。

Emax＝2.28[MeV]20190301
卒業研究発表21

β線源による性能評価

Set upSelf Trigger

テストベンチ全体図

β-raySilicon Sensor

FEM

FPHX

Delay

ROC

PC

シリコンセンサー付近のセットアップ

β-ray
Source(90Sr)

Plastic Cover
32mm

ROC
Bass ExtenderBlackout Box

INTT Silicon Sensor

20190301
卒業研究発表22

β線源による性能評価

シリコンセンサーにおけるエネルギー損失
一般的にエネルギー損失は物質の厚さに依存する。
物質が十分に厚い場合はtotal mean energyであるBethe dE/dxのMIPを採用する。
しかし、シリコンセンサーは200μmと非常に薄いため大きなエネル
ギー損失が起こることは考えにくい。
したがって、本研究ではLandau most probably energyを利用する。

entry
Landau分布

0.4GeV
グラフ引用： Passage of particles through matter 1 –PDG (June 5, 2018 19:57)
http://pdg.lbl.gov/2018/reviews/rpp2018-rev-passage-particles-matter.pdf

dE/dx
LandauBethe

20190301
卒業研究発表23

β線源による性能評価

β線源がシリコンを通過する際のエネルギー損失
most probably energy の際のβγとSiのMIPとの比

電子の平均エネルギー Emean ＝ 0.927 [MeV]
p = (E2 - m2)1/2 ＝ (0.9272 - 0.5112)½ ≃ 0.77
βγ ＝ p/m ＝ 1.51
βγ ＝1.51の時、BetheのSiのMIPとの比は0.85。
したがって、most probably energyでのMIPは1.41[MeV g-1 cm2]
このことから計算すると、1ストリップを直進する際にβ線が損失するエネル
ギーは0.066[MeV]。
電圧値に変換すると876[mV]となる。また、最大は941[mV]である。
876[mV]

2ストリップの場合(最大)1.51
http://pdg.lbl.gov/2011/reviews/rpp2011-rev-passage-particles-matter.pdf

941[mV]

200μm

555[mV]555[mV]

78μm

3ストリップでは最大459[mV]となった。

20190301
卒業研究発表24

β線源による性能評価

β線源によるセルフトリガーモードでの測定
しきい値(DAC値)の設定
DAC

DAC値

対応電圧

DAC 0

20

290 [mV]

DAC 1

35

350 [mV]

DAC 2

50

410 [mV]

DAC 3

65

470 [mV]

DAC 4

80

530 [mV]

DAC 5

95

590 [mV]

DAC 6

110

650 [mV]

DAC 7

125

710 [mV]＜対応電圧の計算＞
210 [mV] + DAC値 × 4 ＝ 対応電圧 [mV]

data：20190222-1651
測定時間：2 min
測定時のセットアップ

3ストリップ2ストリップ
1ストリップ

chip10,23付近にeventが集中すると考えられる

20190301
卒業研究発表25

data：20190222-1651
測定時間：2 min

β線源による性能評価

測定結果

縦軸：entry
横軸：DAC

3ストリップ2ストリップ

1ストリップ

縦軸：entry
横軸：chip_id

chip 10chip 23β線源を置いた場所にchipが対応しているため、シリコンセンサーは線源のhitを捉えていると思われる。
また、DACの分布はDAC0のentryが一番多く、計算値と比べても期待通りにはならなかった。
そのため、通過したストリップ別の評価が必要である。

20190301
卒業研究発表26

data：20190222-1651
測定時間：2 min

β線源による性能評価

測定結果
通過したストリップ別の分布

2strip以上のものは通過したstripの合計で表示される。
555[mV]

Total 1110[mV]

555[mV]

縦軸：entry
横軸：電圧値

通過したstrip

しきい値

最大値

1strip290[mV]941[mV]

2strip580[mV]

1100[mV]

1ストリップのentryが一番多く、低い電圧値で多くのentryが見られた。これは実際に1ストリップではな しきい値以
く、2ストリップ以上で入ってきたentryの中でしきい値以下の電圧値を落としたストリップがカウントされ 下はカウントずに1ストリップで表示されてしまうことが考えられる。
されない
それを考慮すると、妥当な結果といえる。

20190301
卒業研究発表27

宇宙線測定による性能評価
・テストベンチブロック図
・外部トリガーモード測定条件と見積もり
・外部トリガー宇宙線測定
・通過ストリップ数別波高分布
・シングルヒットイベントの分布探索

20190301
卒業研究発表28

宇宙線測定による性能評価

ミューオンのシリコンセンサーでのエネルギー損失値
MIPで入射した時最大飛程
見積もり
1stri
2stri
p
p
431mV
730mV

431mV
荷電粒子が2stripを最大飛程で通過したとき、全飛程で861(mV)損失する。
それぞれの層で読む信号は
1strip目で431mVまで、2strip目で431mVまで。

1strip通過時、読み取る信号は最大飛程で730mVである。
20190301
卒業研究発表29

宇宙線測定による性能評価

シンチレーションカウンタ 外部トリガー
テストベンチ全体図

シンチレータの閾値を決める。

Delayと波形の幅を調節

NIM
Scintillator A

DISCRIMINATOR
１

ロジック信号へ変換し
てFEMへ

Level
Adapt
er

DUAL
GATE
GENERATOR

2

FEM
Ext Trig
Self Trig
３

PC
SiliconSensor

FPHX

ROC

Delay

４

20190301
卒業研究発表30

宇宙線測定による性能評価

トリガー信号とシリコンからのシグナルのタイミング確認方法
RHIC Beam CLK=9.4MHz(106ns)①シンチレーションカウンタからのアナログ信号（生データ）
５beamCLK②シンチレーションカウンタNIM TTL信号
3beamCLK③シリコンセンサーのトリガー信号
3beamCLK④シンチレーションカウンタのTTL信号②とシリコンセンサーからのセルフトリガー ③のAND信
号

GATE GENERATOR でwidthとdelayを処理時間に余裕を持った値に調整。
20190301
卒業研究発表31

宇宙線測定による性能評価

２台のシンチレーションカウンタ

コインシデンス外部トリガー

テストベンチ全体図
NIM
DISCRIMINATOR

Scintillator B
Scintillator A

DISCRIMINATOR
１

DUAL
GATE
GENERATOR

Coinci
dence

Level
Adapt
er
2

FEM
Ext Trig
３

Self Trig
PC

SiliconSensor

FPHX

ROC

Delay

４

20190301
卒業研究発表32

宇宙線測定による性能評価

２台シンチレーションカウンタ部コインシデンス用セットアップ

Scintillation
counter B

INTTシリコンセンサー

暗幕

6.3cm

Scintillation
counter A

11.2cm（シンチレータ表面間の距離）

ROC
Bass Extender

INTT用aluminum保護カバー

Desk
20190301
卒業研究発表33

宇宙線測定による性能評価

シンチレーションカウンタ１台外部トリガー宇宙線測定
チップ26個それぞれの横軸channel128binのヒストグラム

約18時間

Chipの分布

シンチレータがcoverしていた範囲周辺の両サイドのchipがActiveになっており、外部トリガーシステムが、正常動作していることがわかる。
→chipの分布
シリコンの両サイドに対応するchipをピークに対照的に分布している。

Data
20190206-2036

20190301
卒業研究発表34

宇宙線測定による性能評価

２台シンチ-コインシデンス外部トリガー宇宙線測定
チップ26個それぞれの横軸channel128binのhist

Data 20190124-2212

約10時間

シンチレータ設置範囲
シンチレータを設置している付近のエントリー分布範囲が１台のシンチのトリガー時の結果より、絞り込めている。
DACの最低閾値を検討する際に有効的な方法といえる。
おおよそシリコンのある範囲
20190301
卒業研究発表35

宇宙線測定による性能評価

外部トリガーモード測定条件と見積もり＜基本的なFPHXチップ3bitDAC設定値＞
DAC閾値
電圧値（mV)
2ストリップ通過時にentryが期待されるDAC0~DAC3
DAC０

20

290mV

18時間測定

最大飛程の
場合
431mV

シンチレータ部分

DAC1

25

310mV

DAC2

48

402mV

DAC3

98

602mV

DAC4

148

802mV

1ストリップ通過時にentryが期待されるDAC3
最大飛程の
場合

DAC5

172

898mV

DAC6

223

1102mV

DAC7

248

1202mV

431mV

730mV

シンチレータをchip1,14よりに設置
DAC閾値が、宇宙線由来のイベントを拾うのに最適かどうかの検証を行った。
20190301
卒業研究発表36

宇宙線測定による性能評価

外部トリガー宇宙線測定
DAC

2ストリップ

Data:20190206-2
036

1ストリップ

DAC閾値

電圧値（mV)

DAC０

20

290mV

DAC1

25

310mV

DAC2

48

402mV

DAC3

98

602mV

DAC4

148

802mV

DAC5

172

898mV

DAC6

223

1102mV

DAC7

248

1202mV

2strip 分布範囲（見積もり）

1strip 分布範囲(見積もり)DAC

２ストリップ通過した宇宙線の観測結果は、見積もったDAC分布に一致する結果を得た。
ただし通過ストリップ数別に評価していく必要がある。
20190301
卒業研究発表37

宇宙線測定による性能評価

通過ストリップ数別波高分布
BCO clk

Chip_id

Chan_id同じbeam CLKで記録されたentryを、1イベントずつ区別
し、その1eventあたりのstrip
通過数を数えた。

730mV

Data:20190206-2
036

Total 862mV

ストリップ通過
数

通過したMIPのミューオンの合計電圧値の分布が1strip通過イベントの分布の見積もりの範囲に分布して 1strip
いない。
2strip
DAC０以下のエントリーを取りこぼしているか。

最低全エネルギー損
失見積もり（mV)

最大全エネルギー
損失見積もり（mV)

680mV

730mV

730mV

862mV
20190301
卒業研究発表38

宇宙線測定による性能評価

シングルヒットイベントの分布探索
最低閾値DAC 0を40mV分引き下げ、2strip以上通過したイベントの割合が増加することを期待し測定。
閾値が低い場合、ノイズを拾いやすいため、シンチレーションカウンタを２台コインシデンス外部トリガーを採用。 前述のコインシデンス外部トリガーとセッティングは異なり隙間なく重ねている。

約17時間測定

シンチレーションカウンタ２台セットアップ図

DAC閾値

損失電圧値（mV)

DAC0 10250mV

DAC1 15270mV

DAC2 20290mV

DAC3 35350mV

DAC4 50410mV

DAC5 65470mV

DAC6 80530mV

DAC7 95

590mV

DAC

DAC０（250mV~270mV)のエントリーの割合が増加した。

Data:20190210-2100

DAC
20190301
卒業研究発表39

宇宙線測定による性能評価

シングルヒットイベントの分布探索
イベントごとの通過ストリップ数と、その全ストリップにおけるエネルギー損失値
DAC 0＝20 (対応電圧290mV)DAC=7=228 (対応電圧1202mV)

20190206-2036

DAC 0＝10 (対応電圧250mV)DAC=7=95(対応電圧590mV)

20190210-2100

DAC0の最低閾値を下げた場合、2strip以上通過したイベントの割合が大きくなったため、最低閾値以下の2strip以
20190301
上通過したイベントの取りこぼしているエントリーを減らすことができたといえる。
卒業研究発表40

クラスター判別
イベントごとのhit数の分布を示したグラフ

Beam CLKタイミング

DAC 0＝20 (対応電圧290mV)DAC=7=228 (対応電圧1202mV)

Chip番号

５ストリップ以上

Strip通過数

実際5strip〜など複数のストリップを通過するイベントの場合、損失エネルギーが複数のストリップ
で分割され、DAC０以下の小さなエネルギー損失を起こすエントリーが増えるため、可能性としてはかなり低い。
20190301
もう少し、判別条件を加えたい。
卒業研究発表41

宇宙線測定による性能評価

宇宙線測定の考察
シリコンセンサーの宇宙線に対する正常動作が確認できた。
エネルギー損失 の分布の見積もりにおおよそ一致、もしくは、ズレに対する原因の追究と行うことができた。

＜次のステップ＞• 測定効率を上げるための複数台のシンチレーションカウンタのOR回路を外部トリガーとして採用し、宇宙線測定を行い、測定効率を向上する。

• 特に外部トリガーによる宇宙線測定において、統計数が少なく、分布の傾向を結論づけるには、やや説得力にかける。 測定条件をさだめ、数日の測定データを得る必要がある。

• ストリップ数別電圧対応の分布グラフの、イベント識別に隣同士のストリップ
20190301の呼び出し条件を追加し、クラスターの判別をより正確に行うためのプログ
卒業研究発表42

まとめ
・卒業研究のまとめ
・今後の課題・参考文献

20190301
卒業研究発表43

卒業研究のまとめ• 奈良女子大学におけるINTTのテストベンチの構築が済み、問題なくデータを得るところまで環境を整えることができた。

• データ読み出しシステム、解析までの動作の一連の流れと、ハードウェアの理解を深めることができた。

• ノイズ評価と、β線源と宇宙線による性能評価結果から、β線と宇宙線両方共に損失するエネルギーの電圧値がノイズの大きさ(9.19mV)に対して十分大き
く、ノイズの影響は考えなくていいといえる。

• 宇宙線測定では、見積もりを元にADC閾値を設定し、最適化し、シリコンセン
サーの十分な応答を確認し、性能評価を行うことができた。
20190301
卒業研究発表44

参考文献• Passage of particles through matter 1 –PDG ( June 5, 2018 )• William R. Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments A How-to
Approach• 益田英知 RHIC-sPHENIX実験におけるシリコンストリップ検出器の開発• 長島徹 RHIC-PHENIX実験Run15におけるFVTX検出器を用いた高多重度トリガーシス
テムの開発と陽子＋陽子衝突における方位角異方性の検証(2015)

20190301
卒業研究発表45

ご清聴ありがとうございましたBACK UP

宇宙線測定による性能評価

シンチレータのレート
測定中Visual Scalerを用いて奈良女シンチ２台のコインシデンス Visual Scaler
信号数カウント。
100MHz CLK GENERATOR
プリセット周波数切り替えは10(Hz)Signal の種
カウント数 レート
カウント数２類

レート（Hz)

レートの平
均（Hz)

（Hz)

厚さ

実験における
印加電圧

シンチAディ
スクリミネー
タ 通過後

1785

2.97400866

1769

2.9473508
82.9606794
4

シンチレー
ションカウンタA

1.10cm-1300V

ディスクリ後のシンチB

3651

6.08297234

3737

6.2262579
1

6.1546151
2

100MHzCL
Kから

6002

10

6002

10

10

シンチレー
ションカウンタB

1.00cm

シンチ２つのコインシデン
スNIM通過後

13

0.02165945

120.0199933
40.0208264

表面積-1300V

100MHz CLK
GENERATOR
https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/type/H3178-51/index.html

20190301
卒業研究発表33

操作用GUI(Graphical User Interface)
Nevis_GUI(FPHX teststand DAQ）
FPHXの3bit DACスレッショルドを決める。
INTT独自のpythonによる
application。

DAQの設定を構築、トリガーモードの選択FEMのFPGAヘDAQの命令を送る。DAQスレッド操作
シリコンmoduleに対するchip対応の司令選択FPHXチップのゲイン値を決める

Maskするchip, channel
を選択

あらゆる任意の測定条件で測定可能
20190301
卒業研究発表49

FVTX シリコンセンサー（PHENIX実験）
FPHX
・26チップそれぞれ128chの読み出しチャンネ
ルを持つ。
・外部からADC値、各チャンネルのマスクなどの条件を制御できる。

シリコンセンサー・シリコンストリップセンサーを使用。
・n型半導体とp型半導体で構成

FPHXの電源
ROCの電源20190301
卒業研究発表50

読み出しシステム
光ファイバーケーブル
・FEMへ光速に近い速度でデータを送信

ROC(Read Out Card)

FPGA(Field Programmable Gate Array)
・データ処理システム

D

C

B

A

・測定条件や閾値などの情報を指定されたFPHXチップへ 転送する。
・キャリブレーションパルスを発生させる。
・データを同期させ整理する。
シリコンセンサーと、バスエクステンダーにより接続されている。
・シリコンセンサーへ電源を供給

バスエクステンダー

20190301
卒業研究発表51

BACK UPSet upplastic cover
厚さ：約1.0mm

ROC

横：約250mm
縦：約277mm

高さ：約52mm
Blackout Box

20190301
卒業研究発表52

Ⅰ.キャリブレーションパルスによるノイズ評価

ADC

amplitudeとADC閾値の相関関係のグラフ
波高毎のパルスに対するADC応答

3次元波高毎のパルスに対するADC応答

測定閾値DAC０から等間隔でパルス高が大きくなり、同時にADCも1つずつ増えていく。

立ち上がりの緩やかな時点も一定幅の波高でADC が移り変わっており、相関性が確認できる。

波高

パルス波高とADCに正の相関がある。
2019/02/26 B2JS INTTセンサーの性能評価

一色萌衣

20190301
卒業研究発表53

読み出しシステム
FEM(Front End Module)

FEM-IB(FEM
Interface Board)
・FEM全体を制御するモジュール・VME規格の読み出しボード 。
・FPGAを搭載。
・FPHXからのデータをROC経由で収集し、
PHENIX共通のフォーマットに変換→トリガーシステムの構築が可能
テストピンから、シリコンの信号と外部トリガー信号をオ
シロスコープで確認可能。
測定の目的ごと、また対応ROC portに対し、FPGAのコードをconfiguration、コンパイルし直す必要がある。

テストピン

FEM

20190301
卒業研究発表54

シリコンセンサー読み出しチップ(FPHX)
エネルギー損失の計算過程詳細<エネルギー損失値算出方法>

Siの電子正孔対1個の生成に必要なエネルギーは200Kで3.62eVより、0.4GeV
グラフ引用： Passage of particles through matter 1 –PDG (June 5, 2018 19:57)
http://pdg.lbl.gov/2018/reviews/rpp2018-rev-passage-particles-matter.pdf

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卒業研究発表55

シリコンセンサー読み出しチップ(FPHX)ADC閾値の計算過程
FPHXチップでのGain値を配慮して計算する。

680mV
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卒業研究発表56

BACK UP

シリコンを通過する際のエネルギー損失の計算
右図より、平均エネルギーでβγ = 1.51の時、200μm厚のシリコンではBetheのミューオンのMIPとの比は0.85。
したがって、200μm厚のシリコンのMIPは0.85・1.66 [MeV g-1 cm2] ＝1.10 [MeV g-1 cm2]シリコンの密度2.33[g/cm3]より、単位面積当たりのエネルギー損失
は1.10[MeV g-1 cm2]・200[μm]・2.33[g/cm3]＝0.066[MeV]
Siの電子正孔対1個の生成に必要なエネルギーは3.6[eV]より、生成される電子正孔対の数は0.066[MeV] ÷ 3.6[eV]＝18265[個]FPHXチップのプリアンプで増幅された分を計算すると、電子1個につき電荷が1.6×10-19[C]より、14182[個] × 1.6×10-19[C]＝2.92[fC]
電圧に変換すると、このチップのゲイン値は60[mV/fC] × 5と設定しているので2.92[fC] × 60[mV/fC] × 5＝876[mV] である。

1.51
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卒業研究発表57

宇宙線測定による性能評価•

20190301
卒業研究発表34

２台のシンチレーションカウンタ
コインシデンス外部トリガーモード
テストベンチ全体図

Scintillator A

NIM
DISCRIMINATOR

Scintillator B

ブロック図

DISCRIMINATOR
１

Coinci
dence

Level
Adapt
er

DUAL
GATE
GENERATOR

2

FEM
Ext Trig
Self Trig
３

SiliconSensor

FPHX

ROC

４

Delay

PC
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卒業研究発表59

使用装置について・NIMモジュール

TRIPLE 4-FOLD 1-VETO Coincidence
・シンチレーションカウンタ
光電子倍増
管部分品番

陽極－陰極
間 印加電
圧（仕様書）

シンチ厚み（cm）

宇宙線レート
期待値(シンチ
全面積あたり（Hz)

Visual Scalarによるシンチ全
面積あたりの
信号レート(Hz)

シンチレーション
カウンタA

H3178
HAMAMATSU-1.5kV

1.00cm0.287(Hz)2.947(Hz)1回の測定のみ
600.2秒間

シンチレーション
カウンタB

H3178
HAMAMATSU-1.5kV

1.10cm

0.263(Hz)6.226(Hz)1回の測定のみ
600.2秒間

シンチレーションカウンタ とシリコンセンサー位置関係
実際に使用した INTTmodule はL2
20190301
卒業研究発表60

外部トリガー測定条件
DAC設定値（右グラフ１）
測定時間
1 回目
２回目

約５時間
約１０時間

出力グラフは２回分Addし、１５時間分にしたもの

印加電圧について
電圧値（V)
シリコンセンサー

50V

シンチA

-1.3kV

シンチB-1.3kV

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卒業研究発表61

シンチ１台宇宙線測定(5時間）
チップ26個それぞれの横軸channel128binのヒストグラム

キャリブレーションテスト
において、Chip_id １,2が正常に動作しないことを条件下で測定

DACの値は、シンチ１台の外部トリ
ガーと同じ
おおよそシンチレータが覆っていた範囲

２台のシンチによるコインシデンス
取った時よりも、広範囲に分布が及んでいることがわかる。
シリコンの上にシンチレータ部分を配置
20190301
卒業研究発表Data 20190126-1531

62データの比較

ADC値の分布傾向に大きな相違はなし。
トリガーが複数あることで、entryのchipの分布領域を狭めることができる。

シンチ２台の外部トリガー（約１5時間）2回分の測定をAdd

シンチ１台外部トリガー（５時間）

Data 20190126-1531

20190301
卒業研究発表63

半導体の原理
N型はP型 よりも電子の数が多い。P型は電子が少ない。（正孔の多い物質）
バイアス電圧をかけると空乏層ができる。

移動

https://detail-infomation.com/diode-depletion-layer/

電荷に偏りが生じる
電場が生じる20190301
卒業研究発表64

20190301
卒業研究発表65

シリコンセンサーからどのような信号が読み出されるのか。
• 空乏層はなにもないような空間• ここを荷電粒子が通過すると、その飛跡にそって電子ホール対が集まってくる。
この電子正孔対はそれぞれ、N型の方、P型の方向めがけて進んでいく。
よってセンサーから出てくり信号は基本的に電荷によるものが多く、これをFPHXチップの電荷アンプで増幅する。

http://research.kek.jp/people/tsuboy/20090601-soukendai/so
ukendai-jisshuu.pdf

20190301
卒業研究発表66

ストリップ型シリコンセンサー• ストリップであるがために、x-y平面的な情報になる
のでは？

センサー

• Z方向にセンサーの設置位置を調節、向きを変える
ことで、３次元的な情報を獲得することができる。

YZ
x

20190301
卒業研究発表67

より評価効率を上げる工夫•

外部トリガーの測定対象をβ線にする。
よりシンチレータ部分の面積の大きいシンチレーションカウンタの使用

トラブル別に対処法や追求した原因（ROC-stationコネクター破損、シリコン印加用電源ケーブルの接触不良 etc..)
をカテゴリ別にまとめる。

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卒業研究発表68