素粒子原子核研究所活動報告（2）エレクトロニクスシステムグループ

執筆2022年10月9日

E-sys 活動報告
Status of electronics system group IPNS

contents●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

Oct2022
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
スシステムグループ(E-sys)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：シリコンカーバイトピクセルセンサーの写真（右上）とそのセンサーでアメリシウム線源からのγ線スペクトルをとった結果でピクセル化したため非常に良いS/Nでスペクトルが取得できている（左下）。シリコンカーバイトセンサーとその読み出し集積回路はフリップチップボンディングで実装されている。萌芽研究・技術開発の項も参照のこと。

2022年10月9日
E-sys活動報告

エ レ ク ト ロ ニク ス シス テム グル ープ （ E sys)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：狭ピッチのストリップセンサーを読み出すためのフロントエンドASIC(SNAP)の写真

写真の説明：時間測定回路用の出力信号（ ディスクリ出力）とモニタ用出力でみた検出器からの信号（アナログ信号）

写真の説明：Belle-II CDCアップグレード用集積回路評価セットアップ。

プロジェクトへの貢献
E-sysつくば

写真の説明：左の写真は現在使用中のCDC用信号処理用基板で、この時は我々の開発した信号処理集積回路、市販ADC、FPGA等で構成されていたが、右ではADCは信号処理集積回路と一体化(RAPID)され、それ以外の主な集積回路はFPGAと電源関連のデバイスだけになった。

E-sysは拠点をつくばと東海に持っており、お互いに連携し両方のキャンパスで行われている実験プロジェクトに関する研究開発を行っています。
Belle-II CDC用にフロントエンド信号処理回路とADCを一体化したASIC（RAPID）の開発は単体評
価ではすべての機能・性能が要求仕様を満たすことを実測により確認しました。RAPIDは8チャネルのアナログフロントエンドとADCを持ち、アナログ波形を10bit, 100MS/sで連続的に読み出すことが可能なASICです。現在RAPIDを搭載した信号処理ボードRECBE Mk-IIを開発評価中です。上の左の写
真はRECBEで、右の写真が新しいRECBE MKIIです。新しい基板では、市販品は電源及びデータリンは基板上部のコネクタからその下の集積回路(RAPID)までで、後の信号線は全てデジタル信号線と電源のみでかなりスッキリしました。
Belle-IIアップグレード用の狭ピッチのストリップセンサーを読み出すためのフロントエンドASIC(SNAP)の開発も進めています。チャンネル数は128チャンネルでそれぞれのチャンネルにアナログ信号処理回路とコンパレータを搭載し、アナログパルスの幅を127MHzの基準信号でサンプルすることでアナログ信号をデジタル化する回路が入っています。プロトタイプチップの性能評価は完了したた
め、今年度は性能改善に向けたデザインの修正を実施し、新しいASICを製作する予定です。

クの部分だけになり、また基板上のアナログ信号線

2022年10月9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
東海分室では、J-PARCで行われる実験で、共通に必要な要素技術やシステム技術の開発をしています。前回お話しした、MIKUMARIという高精度時間分配システムはg-2/EDM実験で採用され、評価中（右上、中写真）で、特殊な送受信回路なしで、光ファイバー１本のみで必要なデジタル信号が長距離転送できるようになりました。このようにFPGAの高速シリアルトランシーバに依存しない新しいフロントエンド回路の同期技術はどのようなFPGAでも使用できるため汎用性が高いのが大きな特徴になります。性能は同期データを送信しつつフロントエンド回路を非常に高精度10 ps (σ)で同期できることが分かりました。
E-sysで開発したガス検出器用の汎用ASICを応用し、J-PARCハドロン実験向けのワイヤチェンバ用ASDカード(ASAGIカード)の開発が進行中です。
ASAGIカードの性能評価は阪大RCNPと共同で進めらており、汎用化に向けた改版を計画中です。

COMET用ワイドギャップ半導体センサー開発に関しては、シリコンカーバイト及びダイヤモンドの両方を使用し進められており、それらセンサーの読み出し集積回路も開発しています。右の
上図はミューオンモニター用の読み出し回路のレイアウト図で、CMOS65nmで開発されました。
下の図はその出力信号で、正しく動作していることが確認できています。現在センサーと集積回路を載せるためのモジュールの開発を行っています。

写真の説明：g-2の試作ボード間でのMIKMARIの接続試験の様子。違う回路間でCDCMの変調クロックからクロックを復元し同期が取れる事を確認した。

写真の説明：COMETグループと連携し開発した集積回路:SCIBER-1(Silicon Carbide readout Ic for muon BEam monitoR)のレイアウト図と動作させた時の出力信号である。

E-sys活動報告

2022年10月9日

1 pixelのレイアウト

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Fig. 10. A photograph of the 144-channel CdTe pixel hybrid. The CdTe sensor
has dimensions of 4 4 mm and a thickness of 0.5 mm.
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
Fig. 8. Linearity curves of a typical channel in the high and low gain modes.
270 umThe lower plots今回サブミットするチップは、12x12のアレー状に構成されたピクセルセンサーのindicate the residuals between the data points and linear
funcする計測技術を先導するためセンサーtions.となっています。製造プロセスはTSMC社の0.35 um アナログ・デジタル混載型集積を含む半導体デバイス開発、高集積、ASICの概要を用います。チップサイズは5 mm x 5 mm、ピクセルピッチは270 um x 270 umで、ピ高機能、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してセンサーとの接続用の50 um x 50 umのボンディングパッドを設けています。電源エ ン ド 、 高 みで使用するトランジスタは、nch,
密 度 実 装 、 デ ジ タ イ ザ、pchのみ、抵抗はポリ抵抗、容量はPIPを使用しまネットワーク分散データ処理システム
ンディングパッドには、容量低減を目的としてフローティングのN+打ち込み層を設け
umobtained with the CdTe hybrid pixel detector opAm spectrum
Fig. 11. Pad開口部50An開発などを行っています。
ASICのレイアウト

C. The bias voltage of 4
V was applied to the common elecerated attrode. We utilized single-hit events from all the 144 pixels.

萌芽研究・技術開発

interference was reduced tomV thanks to the newly fabricated electro-magnetic shield. This corresponds to about 2 keV
in CdTe, which is low enough to activate the self-trigger funcFig. 9. Baseline distributions before and after adjustment by two sets of 4-bit
mV except for 8 flyers.
current DACs. They are adjusted within
to 25 A fortion. We reduced the shaper reference current
産総研と共同で開発したpn接合型シリコンカー
以前のチップの性能
better noise performance while all the circuits were fully opバイト(SiC)センサーをピクセル化し、2次元の読み
erational including the buffer circuit mentioned in the previous
TABLE Iat a slightly higher value ofV sosection. We also setSUMMARY OF THE CHIP PROPERTIES出しASICとスタッドバンプ技術で3次元実装した
that the DC-feedback FET could pass the detector leakage curSiCピクセル検出器(表紙の写真）からの信号が確認
rent properly. The power consumption was 195 W per pixel in
e with a chip
this configuration. While the ENC was
でき、イメージングスペクトロスコピーが可能であe . Ifonly, the ENC in this configuration was measured as
ることを実証できました(表紙の図）。この結果に
we apply the same noise slope of 25 e /pF as obtained with theprevious chip [16], the added detector capacitance is calculated
よってセンサーの微細化への見通しをつけることが
as 0.4 pF per pixel. Since the capacitance between the cathodeできたため、現在はCOMET実験における陽子イクand anode electrodes is expected as 0.02 pF per pixel, the majority is considered attributable to the inter pixel capacitance.
スティンクションモニターとミューオンビームモニ
Am radioactive source (1.1 MBq) was placed 5 cm
An
ターとしての応用開発に着手しています。
14IEEE TNS 58, 1370
V was appliedabove
the detector. A high bias voltage of2
technology developed by JAXA and Mitsubishi Heavy Indus- to the common cathodeC.
electrode at a temperature oftries (MHI) in Japan [22]. Subsequently, the CdTe-ASIC hybrid 写真の説明：上の図はシリコンカーバイトピクセル検出器からのAll the pixels were read out for each trigger, and the data were
信号を処理するための１ピクセルあたりの回路レイアウト図。大was mounted in a QFP ceramic package as shown in Fig. 10.
processed off-line with setting the software threshold at 4–8
きさは270μm角で、耐放射線性能をあげたトランジスタを使用
The CdTe-ASIC hybrid was tested in the same fixture used keV, according to each pixel noise level, for determination of
神戸大学、岩手大学と共同で液体アルゴンTPC(陰している。下の図は集積回路全体のレイアウト図である。
in the previous section. We first found that the digital to analog hit multiplicity. We constructed a spectrum of single hit events

ピクセルセンサー開発

低温動作可能な集積回路技術

低温試験結果イオンマイクロTPC)用にGEMからの信号を読み出すための汎用性の高いフロントエンドASICの開発を進めており、液体アルゴン温度でもASICが動作することを確認できました。今年度は、メモリなどのデジタル回路部を合わせたアナログ・デジタル混載チップを製作していく予定です。

放射H-sh(12 x通常(12 x2017

LTARS20のセットア

い、LTAR
認を行なっ• 低温環境

室温時のアナロ• ゲインのきた。

低温時
アナログ出力波形の比較
写真の説明：左の写真は低温でも動作する信号処理集積回路(LTARS)で、上の図は室温での出力信号と液体窒素内で動作させた時の出力信号を比較したもので、液体窒素温度でも同じように動作していることがわかる。

LTARS20と同様の動E-sys活動報告
2022年10月9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 ・OJTと研究開発連携について

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。
具体的には、以下のようになります。
・計測と制御:7/25〜7/29:参加者:50名x5日、内単位取得希望者24名
・ASICトレーニングコース:9/26〜9/28の予定：参加予定者18名
・FPGAトレーニングコース＠NIFS:9/21〜22に開講予定。第1回目の参加希望者数が早期に定員に達したため、第2回目をKEKつくばで開講予定。FPGAトレーニング
コース＠KEK11/28〜29
・計測システム研究会＠J-PARCを11/17〜18に開催予定。
・FPGA中級トレーニングコースを7/11〜13に開催、参加者3名。

しております。その運営にあたっては阪大RCNP データ収集基盤室、理研RNC 情報処理チーム、東大CNS、東北大ELPHとともに中核を担っています。現在7つのワーキンググループ（WG）を設置し、WG1-4
はフロントエンド回路からハイパフォーマンスコンピューティングを担当、W5-7は主にインフラや共通開発環境の整備を担当することになっています。WG1-4の主眼は近年着目されているtrigger-less datastreaming (トリガレス・連続読み出し）
DAQシステムを開発し、様々な実験に展開することで、現在J-PARCではハドロン実験へのトリガレス・連続読み出しDAQ導入を進めています。E-sysグループでこれまでグループ内で進めてきたフロントエンド回路や連続読み出しDAQ の開発をタスク
フォースとしてSPADI Alliance に展開し、新たな協力体制のもと新DAQシステムの早期実現を目指しています。これを強力に推進するためE-sys内に阪大RCNP分室が6月に設置されました。現在室員は1名です
が、今後この連携を通して複数の研究機関連携による研究開発に関しては、２つ大 と交流を深めつつ強力なR&D推進チームにきな動きがありました。
育てていきたいと思っております。
その一つは、今年度よりエネルギーフロンティアおよびBelleグループさらには関係者とコライダーエレクト
ロ ニク ス フ ォ ー ラム ( h t t p s : / /kds.kek.jp/category/2369/）を立ち上げ研究会開催を通し、次にあげるSPADI allianceとも連携し将来のコライダー実験等の研究開発に着手したことです。大学とも連携をとり
つ つ 、 協 力 して 研 究 開 発 が 可 能 な
R&D項目を研究会等で議論しつつ、合意したR&Dに対し皆でリソースをシェアし推進していきます。
２つ目はSPADI allianceです。近年実験物理のDAQシステム開発における喫緊の課題は、多くの実験が利用できる共通のコンポーネントを生み出す事（共通化）、およびそれを支えるための技術の標準化である。
このDAQシステムの共通化・標準化
を 掲 げ 原 子 核 分 野 を 中 心 と して
signal processing and dataa c q u i s i t i o n i n f r a s t r- u c t u r e( S PA D I ) a l l i a n c e ( h t t p s : / /www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~spadi)が立ち上がりました。SPADI Alliance
はKEK素核研 E-sys と阪大RCNP
データ収集基盤室の議論を出発点と写真の説明：E-sys内の大阪大学RCNP分室の写真。

E-sys活動報告
2022年10月9日

学際・産学等連携による研究開発
量子コンピューター技術

高速データ転送技術

2022年10月よりムーンショット型研究開発として”100万ビットを超える量子コンピュータ実現のための量子誤り訂正システムの開発”の中でスケーラブルな高集積量子誤り訂正システムの開発を目指して、課題推進をしています。(https://www.greenlab.kit.ac.jp/qubecs/index.html)
具体的には、量子ビット誤り補正システムに必要な超高速AD変換を実現する素子を開発しています。これは量子コンピュータ実現に役立つだけでなく、量子ビーム実験に使用される数億個のセンサーからのアナログ信号の高速デジタル化にも使用可能です。

今まで我々は1GbpsのSiTCPを実用化し多くの実験へ使用してきましたが、更なるデータリンクの高速化を目指し会社と連携してその10倍の速度を持つSiTCP(SiTCP-XG)を開発し、評価して き ま し た 。 現 在 で は 以 下 に 示 すよ う に 、SiTCP-XGを4つ束ねて40Gbpsで読み出す試験を行い、理論限界値付近である36.5Gbpsで動作することを確認できており、今後多くの実験で使用する予定です。
この試験結果はまとめOpen-Itのウェブサイト上に掲載してあります。
(https://openit.kek.jp/project/40GbE/)

左の写真は、テストセットアップで４本の10GbpsのSiTCPを高速スイッチに接続し40Gbpsでコンピュータへ読み込む評価を行なっているところ。（次のページの記事も参照）上図は、それぞれのデータ転送線におけるデータ転送速度がどの程度でているかを表にしたもので、横軸は時間、縦軸は速度(Gbps)で、安定して9.5Gbps程度（理論値）を記録している。

2022年10月9日
E-sys活動報告●千代 浩司 ………E-sysの人

ソフD
トA
ウQ
エシ
アス
技テ
千術ム
代をの浩用高司
い度た化●千代 浩司……E-sysの人
私はEsysでは読みだしソフトウェアの開発、グループのWebサイトの運用、管理などを行っています。
読み出しソフトウェアではを購入するのは不経済なのでクラウドを使ってテスト可能かどうかの調査をおこなっています。いろいろあるクラウド中からAmazon Web Services

DAQ-Middlewareの開発にたず(AWS)を選定し、テストシステ

さ わ た っ て い ま す。 D A Q -ムとして使ううえで問題がないかどうかの研究、調査を行いました。

Middlewareは2010年にリリースされた中小規模実験、およびセンサー・リードアウトモ
ジュールのテストベッドをターゲットとして想定した読み出しソフトウェアです。産総研で開発されているロボットテクノロ
ジーミドルウェアを基礎として採用し実験、テストベット毎にSiTCPの発明以降、実験データはイーサネット、TCP/IPを使って読み取ることが普通になりました。データ量が増加していく実験を成功させるには高速化していくイーサネットを採用し、PCで確実にデータが読めよる違いをDAQコンポーネントるようにする必要があります。

で吸収し、汎用フレームワークと し て い ま す。 年 に 一 度 、

い ま ま で 1 0 0 M b p s 版 S i T C P,

DAQ-Middlewareトレーニング

む方法を調査してきました。

コースを開催ています。(写真2020年には10GbE版SiTCP

右: ZoomでDAQ-Middlewareト(SiTCP-XG)が完成しました。

レーニングコースを開催してい10GbEをたばねて40GbEで読る筆者)

み出せるようなネットワークス
イッチが購入可能な価格になり将来の素粒子原子核実験に使用するためのストリーミングデータ収集システムの研究にも参加しています。このシステム
ではCPUを大量に使うことになることが予想されています。開発時のテストのためだけにPC

1GbE版SiTCPをPCで確実に読ましたのでSiTCP-XGを4個束ねて40GbEで読み出しが可能かどうかのテスト(左図)を行い、実際に40GbEで読み取り可能であることを実証しました2022年10月9日
E-sys活動報告●田内 一弥………E-sysの人

ダイ高ヤ耐モ環ン境
ドセ
田内 をン
用
シ一弥 いンた●田内 一弥 ……E-sysの人
私 は E - s y s の 技 術 職 員 と して出器自体は北大・産総研で開発

様々な実験で用いる読み出し回路基板や集積回路の設計開発を行ってきました。現在は、福島第一原発の廃炉に向けて「遮蔽不要な臨海近接監視システム用ダイヤモンド中性子検出器の要素技術開発」を行っています。

中(左下の図)なので、入手可能1kGy/hの高γ線環境下で数cps/nvの中性子検出感度が必要で、信号処理・データ転送用集積回路でデータを取得する必要があります。数千チャンネルの中性子センサーからに信号を読み出し、50m以上先のコンピューターへ取得データを送るシステ
ムを開発しています。高エネル
ギー実験で培った技術を基に、ダイヤモンド検出器読み出し集積回路の耐放射線化、スケーラブル読み出しシステムの構築等を推進中です。ダイヤモンド検なダイヤを使用してα線やレーザー等を用いて検出信号を集積回路に入力し、信号処理・データ転送された出力を測定してシステムとして利用可能であるテストを行なっていますが、シリコン検出器と異なることも多々あるため日々が勉強の毎日です。集積回路の耐放射線性能の試験も行っており今後10MGyまで照射し性能評価を行なっていきます。
今回開発した集積回路を含むシステムは耐放射線性が必要な原子核素粒子実験にも応用が可能 で、 J - PA R C で 行 わ れ る
COMET実験のイクスティンクションモニターやミューオンモニターにも使用できるように開発を推進しています。