E-sys 活動報告
Status of electronics system group IPNScontents●プロジェクトへの貢献●萌芽研究・技術開発●教育をベースとした共同開発と学際連携●国際連携・社会貢献等●E-sysの人

June
2021
新たな現象や非常に稀な現象を捉えることを目標とする世界最先端の研究において、センサーや信号処理システム等の装置は世界に1つしか無いため自分自身で開発しなくてはなりません。エレクトロニク
スグループでは、このような世界に1点だけの実験装置のセンサーからシステムに至るまでを各実験グループと連携して開発し、それらをOpen-Itを通して知と技術の共有を行っています。

写真の説明：AMANEQの写真。10GbitのSiTCPを搭載した汎用データ収集モジュール。右下のスロットにHRTDCのメザニンカードを取り付けた状態。詳細はE-sys東海報告を参照のこと。

2021年6月6日
E-sys活動報告

エレクトロニクスシステムグループ（Esys)は、つくばキャンパス(E-sysつくば)と東海キャンパス(E-sys東海)の２カ所の研究開発教育拠点からなります。
E-sysつくばは半導体検出器および信号処理用エレクトロニクスの要素開発(集積回路開発、PCB:Printed Circuit Board開発)に関しE-sys東海と連携し研究開発を推進しています。技術特徴は半導体検出器・信号処理用エレクトロニクスの要素開発(集積回路・PCB)です。

写真の説明：g-2/EDM シリコンストリップ検出器用信号処理集積回路(SliT)の量産ウエハ写真。

プロジェクトへの貢献
E-sysつくば

写真の説明：上図はg-2?EDM実験のためのシリコンストリップを使用した検出装置の図でミューオン崩壊を測定するためにシリコンストリップ検出器が縦に並べられており、その検出器の信号を処理するための集積回路を搭載する部分がオレンジの点線で示された部分である。下の写真はSliTの写真で、信号処理用の低雑音アナログフロントエンド回路及び時間情報等を取り込み後段のエレクトロニクスへ転送するための複雑なデジタル回路やアナログフロントエンド回路の制御用デジタル回路が実装されている。

前回はBelle-IICDC用フロントエンド集積回路開発について報告しましたが、今回はg-2/EDM実験用シリコンストリップ集積回路に関して報告します。
g-2/EDM実験の要請として、シリコンストリップセンサーからの信号の大小にかかわらず、信号到着時刻の精度を5nsec未満にすることが、高ヒットレート環境下で求められており、更に高密度実装(100μmの幅内に全ての回路を入れる）を行い、真空中で動作させるために低消費電力化も行う必要があるため、開発には困難を伴いました。これらの問題を解決するために、複数のアイディアをもとに岸下さんを中心に開発し、時間精度1nsecを実現し、日本初の”オール

こ れ ら に 関 して は 昨 年 度 素 粒 子 原 子 核 研 究 所 のニュースhttps://www2.kek.jp/ipns/ja/post/2020/03/20200309/で取り上げていただきわかりやすく解説をしていただいております。その後実験グループと協力し性能の確認等を急ピッチで行い、g-2/EDM
実験用シリコンストリップ検出器用集積回路の量産が終了し、1チップあたり128チャンネルの集積回路が7000チップ以上完成しました。
左上の写真は量産用半導体プロセスを使用して製造した集積回路の写真で、直径8インチのウェハー上に400個の集積回路が載っています。現在はこのウエハから一つ一つ集積回路を切り出し、性能を評価しつジャパン”の高エネルギー加速器実験用シリコンストリップ半導体測定装置の開発に目処がつきました。

つ、検出器読み出し用基板へ実装していくという作業を進めようとしているところです。

2021年6月6日
E-sys活動報告

Esys東海では主にJ-PARC:現場で開発や改良が必要であることが多いデジタル技術
を 中 心 と して 研 究 開 発 を 行 い つ つ 、 J PARCセンター利用者が専門家と連携し研究開発を進めるため、共同利用実験室を設置し開発に必要な測定器などの機材も用意しており、毎日大学院生・若手研究者が利用しています。
技術特徴はASIC、FPGAに搭載するデジタル回路開発、10Gbpsを超える高速転送技術、データ収集システムの構築やデータ収集用プラットフォーム開発です。

プロジェクトへの貢献
E-sys東海

写真の説明：東海2号館に開設したEsysの実験スペース。J-PARCでの研究開発等に活用している。

今年より技術職員の庄子さんを新たに東海勤務者として迎え東海分室常駐者の人数が4人に増えました。これに伴い研究開発場所が足りなくなったためディビジョン長、セクション長等のご尽力により東海２号館に実験スペースを開設することができました。
AMANEQ（表紙写真のボード）

Trigger-less DAQではハードウェアトリガーでイベント選別を行わない事から、フロントエンド回路は全検出信号をデータストリームとしてPCへ送信します。この場合データリンクスピードと、十分なサイズのメモリが必須です。AMANEQはこの目的を達成するために開発されたデータ収集用汎用デジタルボードであり、10Gbpsまで転送可能な高速トランシーバ（光モジュール）2レーンを備え、2GBのDDR3-SDRAMを実装しています。また、回路に汎用性を持たせるため、機能拡張用のメザニンスロットを2つ有しています。メ
ザニンスロットはすでにJ-PARCハドロンで利用されているHULモジュールと互換となっており、資産の再利用が出来るよう配慮されています。更に回路上の様々な部分がHULを踏襲した設計となっており、HUL用のFPGAファームウェアの再利用も少ない労力で可能となっています。他にも磁場中動作を考慮した部品選択、Belle実験と互換のトリガー（trigger-lessの場合マスタークロック）ポート、35V単電源での動作など利便性を考えた工夫が随所に凝らされています。

写真の説明：Esysが開発した連続読み出しTDCを実装した回路の写真。FCTとHULにそれぞれ異なったデザインのTDCが実装されている。

HULと合わせて様々場面での利用を提案していきたいと考えます。
FCTとHULを用いた連続時間測定
COMET実験における8 GeV bunched-slowextractionでは一次陽子がバンチ以外に漏れる量を10-10以下に抑える必要があります。今年5月にこの事が達成できているかを確認するためのCOMET 8 GeVビーム試験が行われました。試験では取り出されたビームがどのような時間構造を持っているのか調べる必要があり、検出器が出力した信号全てにタイムスタンプを付与しなければなりません。そのたには、連続時間読み出しとデータストリーミングが可能な特殊なTDCが必要です。E-sysでは写真のFCTとHUL用にそれぞれ独立の連続読み出しTDCを開発して、COMET8GeV試験に導入しました。

2021年6月6日
E-sys活動報告

加 速 器 の 高 強 度 ・ 高 輝 度 化 の ト レン ド にそって計測装置の高耐環境性能・多チャンネル高集積・高機能化は更に必要になってきています。そこで我々は長期的視点に立ち、加速器科学で使用する計測技術を先導するためセンサーを含む半導体デバイス開発、高集積、高機能、広帯域をキーワードとして、ピクセル検出器を含む低雑音フロ
ン ト エ ン ド 、 高 密 度 実 装 、 デ ジ タ イ ザ、ネットワーク分散データ処理システム開発などを行っています。

写真の説明：産総研と共同開発したSiCセンサー。4インチウェハープロセスを使用し、1枚あたり5mm角の素子が260個が得られる。

ペデスタル(ノイズ)

写真の説明：ピクセル状のセンサー電極からの信号を処理するための専用集積回路のレイアウト。現在、センサーと接続した試験を開始している。

写真の説明：COMET実験グループと共同で行った、J-PARCのビーム試験における窒化珪素(SiC)検出器の評価結果。きれいにランダウ分布が観測できた。150チャンネル付近のピークはノイズによるものである。

萌芽研究・技術開発

写真の説明：電極をピクセル状に分割したSiCセンサーと、電極と同面積のピクセル面積に信号処理回路を高集積氏た読み出しチップをバンプ技術を用いて1:1に接合することで粒子飛跡検出器やイメージングデバイスとして用いる。

加速器の高強度・高輝度化に伴い、衝突点もしくは固定標的から発生する荷電粒子の量が増加するためにより速い応答速度を持つ小型の検出素子が必要になっています。このため我々は現在ワイドギャップ半導体と呼ばれる半導体を使用したピクセル検出器の開発を行っており、J-PARC等で行われる実験で実用化を目指し研究開発をしています。ワイドギャップ半導体と言っても多くの種類がありますが、今回は炭化珪素(SiC)と呼ばれる材料を使用した検出素子開発について報告します。
炭化珪素は産業用途としては、高圧高電流用のスイッチング素子に多く用いられており、自動車、電車等の制御部品として使用されています。一方検出素子としては、近年紫外線モニター等に用いられるようになってきました。またヨーロッパでは加速器実験用の飛跡検出器として研究開発が行われていました。一方日本では検出素子として研究開発された例はほとんどなかったのですが、産業技術総合研究所のグループと共同で研究開発を行い上図のピクセル検出器を開発できました。並行してこのピクセル検出器の信号を読み出すための集積回路も開発し、現在フリップチップボンディングという技術を用い検出素子と信号処理回路を接続し試験を開始しようとしているところです。
予想される困難は、検出素子の歩留まりとフリップチップボンディングの歩留りに制限される信号が読み出せる素子の割合の低下です。現在岸下さんを中心として、実際に実験に使用するための問題の解決方法を探っています。5月下旬にはCOMET実験グループのJ-PARCでのビーム試験セットアップ内に炭化珪素センサーと信号読み出しシステムを設置させていただき検出器として正常に動作するところを確認できました。今後はCOMET実験に使用できるようにCOMET実験グループと協力しながらビーム評価試験及び装置開発を継続していきます。

E-sys活動報告
2021年6月6日

複数の機関と連携しエキスパートとのコラボレーションネットワー
ク”Open-It”を立ち上げ、教育活動
及びOn the Job Trainingで若手教育とプロジェクト推進を通したコミュニティー全体への積極的な寄与を行っています。
詳細はhttp://openit.kek.jp参照

教育とOJT・学際連携共同研究 / 開発

Open-Itは「教育」と「連携」をキーワードにした、１）教育プログラム、２）連携開発プログラム、３）交流プログラムの3つを中心に活動しており、これらの活動は以下のように相互に連携しています。
１）初学者向けの計測技術教育。
２）上記の次のステップの共同研究開発。
３）情報交換、交流の場として研究会。
前回は初学者向けの教育について紹介しました。今回は3）に関係して、昨年11月26日〜27日に開催された計測システム研究会
2 0 2 0 @ J - P A R C の 報 告 を 行 い ま す。
COVID-19の影響を受けリモートと対面（KEK東海キャンパスの東海１号館）を併用して開催されました。参加者数は100名
で、 非 常 に 盛 況 で し た 。 詳 細 は h t t p : / /openit.kek.jp/workshop/2020/dsys/
programをご覧ください。
今回の研究会の趣旨は、大強度、高輝度量子ビームを使用した実験やビーム制御等に関する研究開発を行っている実務者が集まり、知識や情報の共有だけでなく、現場で抱えている問題点を共有しともに解決策を探るべく議論を行うというものでした。
この研究会の一つの成果としては、研究分野を超えて、従来の成果報告だけにとどまらず問題点を共有し解決策を探るという観点から、複数の実験プロジェクトが協力し、光子測定装置の共同開発を行うことが決まったことです。今後さらにこのような提案がなされ、実験プロジェクト間で協力し研究開発が進むことで、装置開発だけでなく現場レベルでの次期実験プロジェクトに関する議論等も活発に進むようになる事を期待できます。
2021年度は九州大学において研究会が開催される予定ですので、ぜひご興味のある方はご参加いただけると幸いです。

写真の説明：計測システム研究会2020@J-PARCで会場に集まった参加者の写真。コロナ対策を行った上で参加していただいた。

教育という観点からは、Open-Itにおいて国内外の学生を受け入れOJTを行うだ
けでなく、総研大を通じて国内外から学生を受け入れ研究開発を行っています。
例えば2020年1月7日のE-sys活動報告に載せたM.Jauhar Kholiliさんは博士取得後、インドネシア科学院にパーマネントの職を得て現在研究者として活躍されています。
現在総研大の学生は2名で、1人はワイド ギ ャ ップ 半 導 体 検 出 器 の 研 究 開 発 を行っており、もう1人は先端半導体プロセスを使用した1GHzサンプリングのアナ ロ グ デ ジタル 変 換 集 積 回 路 の 開 発 を行っています。後者の方はインドからこられている国費留学生で、コロナ下での種々の制限を気にせず、日夜研究に勤しんでいます。

写真の説明：計測システム研究会2020@J-PARCでリモート会場に集まった参加者の写真。リモートにも関わらず過発な議論や提案が行われた。

写真の説明：現在集積回路の研究開発を行っているTivishaさん。総研大学生2年目でインドからの国費留学生です。

E-sys活動報告
2021年6月6日

国際連携・社会貢献等
組織連携・社会貢献
2020年10月より英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(戦略的原子力共同研究プログラム)に採択され、福島県の原子炉の廃炉事業の一環として、未臨界モニターシステムの開発を開始しています。このプロジェクトの困難な点は、
１、高放射線耐性が必要である
２、数Mcpsを超えるγ線ノイズ環境下で微弱な中性子信号を検出すること
３、深い未臨界であることを判定することで、３は名古屋大学の研究者と、測定装置は北海道大学、産業技術総合研究所及び日本原子力研究開発機構の研究者と連携し推進しています。
我々の提案している装置は、全体が数千チャンネルからなるダイヤモンド検出器を使用した中性子検出素子と、高耐放射線性能を有する複数の信号処理回路をピクセル状に並べ、中性子に関する感度を向上させつつ、γ線のによるバックグランドノイズを減らすものです。

この未臨界モニターは、廃炉工程中のデブリ取り出し時、作業の安全性を確保する
た め の 重 要 な モニタ ーで、 今 ま で 他 の 大学、研究機関等が開発してきましたが種々の理由により完成に至りませんでした。その大きな一つの理由は、高耐放射線性能を持つ装置開発のノウハウが日本に保有されていなかったことにあります。幸いなことに高エネルギー加速器を使用した実験では日常的にこのような問題に直面し困難を乗り越えてきました。その結果我々は今までのノウハウを結集し最先端CMOSプロセスを使用して1MGyを超える放射線場で動作する集積回路の開発が可能です。
更に高密度実装技術、高速データリンク
等々素粒子原子核実験で培った装置開発技術を応用しこの困難な開発を成功に導けるよう努力中です。我々は高エネルギー加速器研究機構の保有する先端技術を用いて社会貢献をしていきます。

上図が未臨界モニターシステムの概略。実機は直径が10cm程度の穴から原子炉内に挿入されるため、形状及び重量の制限が非常に強い。

国際連携
E U に 申 請 して い た イタ リ ア のUniversità degli Studi di Napoli
Federico II （ナポリ大学）との学生交流事業ERASMUS+ programが採択されコロナが落ち着いたときに交流事業を開始するように現在準備中です。残念ながらまだ開 始 で き る よ う な 状 況 に な って い ま せ ん
が、このような取り組みを通じてできるだけ研究者間の国際連携を深めるように努力をしています。

2021年6月6日
E-sys活動報告●本多 良太郎 ………E-sysの人

高速デデ｜｜タタ収通集
信シ本と ス
多次テ良ム世太郎代●本多 良太郎……E-sysの人
私はこれまでJ-PARCハドロンで原子核・ハドロン実験に参加し、K1.8ビームライン及び高運動量ビー
ムラインにおけるDAQ開発に携わってきました。回路基板設計、
FPGAファームウェア開発、DAQソフト開発と広く関わってきましたが、回路基板とFPGAファームウェ
ア開発が特に力を注いできた分野です。体表的な回路はEASIROCを用いた汎用MPPC読み出し回路と、汎用FPGA回路 (Hadron universallogic (HUL) module) です。またFPGAファームウェアでは、FPGAのCARRY素子を利用した20psec精度のFPGA高時間分解能時間測定回路(TDC)が代表作です。このようなFPGAの特殊な利用のためには、性能を出すために基板設計の知識が重要になります。一方性能だけでなく、保守性の良さ、トラブルの少なさ、価格など
スペ ッ クシートに現れない特性も重要です。この両面を達成できるように回路設計を行う事が私の得意とするところです。
最近では、ハードウェアトリガ ー を 排 除 し た D A Q シス テム、trigger-less DAQのJPARCへの導入を目指してシステム開発を行っています。そのために、10Gbpsの高速リンクと2GbのDDR3-SDRAMを搭載したAMANEQと言う汎用データ収集モジュールを開発しました。この基板にはついに動き出した10Gbps版のSiTCPを搭載し、検出信号のデータストリーミングを実現します。
HULと合わせてこれらの回路で動くFPGAファームウェアを更に整備して、J-PARCワイドに展開していきたいと考えています。

10GbpsのSiTCPをベースにしたトリガーレスデータ収集システムの評価を行っている。

上図はHUL（左）とAMANEQ（右）の写真。AMANEQ上にはFPGA HR-TDCのメザニンカードが取り付けらえている。

2021年6月6日
E-sys活動報告●庄子 正剛 ………E-sysの人

高集と積プ
実リ
装ン
基タ庄子 板ブル正剛実
装●庄子正剛 ……E-sysの人
私は、E-sysの技術職員として様々な実験で用いる読み出し回路基板の設計開発や集積回路の高密度実装技術の開発を行なっています。
センサーに近い位置に設置する読み出し回路基板には、検出器からのアナログ信号の品質劣化の防止を目的に信号処理用集積回路を検出器の近傍に設置したいという要望があります。一方、放射線の飛跡を高精度に測定する検出器では、センサー数が膨大で読み出し回路基板に求められるチャンネル数(集積回路の数も)が非常に多くなります。そのため、プリント基板には高集積、高密度基板であることが求められます。
高集積実装基板の一例として、
ミューオン g-2/EDM精密測定実験で用いる集積回路高密度実装基板(ASIC board)の試作機を紹介します。このASIC boardは、私自身が基プリンタブルエレクトロニクスを用いた集積回路実装の試作基板。集積回路の段差(約400μm)を、幅100μmの金属配線が乗り越えて印刷されている。

板レイアウトの設計を行いました。約10cm x 4cmの非常にコンパクトな基板で、基板製造にビルドアップ工法を使用していて、一般的なプリント基板と比較すると、高密度・高集積な基板になっています。
集積回路(SliT128チップ)に付随する部品も高密度に配置しています。今後、この試作機を用いて集積回路の実装試験や基板の性能評価が進められる予定です。
そのほか、私が行なっている開発としては、プリンタブルエレクトロニクスを用いた集積回路高密度実装技術の開発があります。プリンタブルエレクトロニクスは導電性インクを使って回路を印刷して作る技術で、数μmの金属配線を印刷することが可能です。現在私は、この技術を集積回路の高密度実装への応用から、集積回路と検出器を一体化するための技術として研究開発を進めています。

J-PARC g-2/EDM精密測定実験用集積回路実装基板(ASICBoard)の試作機。今後、SliT128Dチップの実装と基板の性能評価が進められる。