2017年度活動報告

光量子検出器開発部門の活動から
原

2018.6.4• 宇宙線ミュー粒子による福島第一原発燃料デブリ• SOI：読み出し回路一体型ピクセル検出器• HL-LHC ATLAS• ストリップ型センサー• ピクセル型センサー• LGAD• まとめTomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20181

宇宙史研究センター発足シンポジウムからMissions to GO
Continue Detector Developments

hara/esumi
Silicon pixel/strip● Develop PPDs in close linkage with other TCHoU Divisions● Innovative detectors in TIA framework

hara

Silicon Detector Lab
Rad-hard
technology

SOIfurther enhancecollaboration under TIA– innovative PPD

cryo. amp
takeuchi
STJharaLGAD

ILC pixel

3D stacking

designingtestingproduction

ATLAS

Precision neutron detector
X-ray detector
nishibori

STJ-TOFtomitaFCC(future circular collider at 100TeV)

esumi
MRPCJ-PARC

COBANDALICE

4D tracker

O(10ps)readout

esumi
MCPTOF Rare IR beam
@RIKEN

Promote New Detector Developments● least support of travel expense for projects with few budget● pursuit realizing a testbeam at KEK AR (~4GeV e)Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20182

宇宙史研究センター発足シンポジウムからMissions to GO
Continue Detector Developments

hara/esumi
Silicon pixel/strip● Develop PPDs in close linkage with other TCHoU Divisions● Innovative detectors in TIA framework

hara

Silicon Detector Lab
Rad-hard
technology

SOIfurther enhancecollaboration under TIA– innovative PPD

cryo. amp
takeuchi
STJ

hara
LGAD

ILC pixel

3D stacking

designing
testing
production

ATLAS

Precision neutron detector
X-ray detector
nishibori

FCC(future circular collider at 100TeV)

esumi
MRPC

J-PARC
Muon radiography
COBAND
STJ-TOFtomitaALICE

4D tracker

O(10ps)readout

esumi
MCPTOF Rare IR beam
@RIKEN

Promote New Detector Developments● least support of travel expense for projects with few budget● pursuit realizing a testbeam at KEK AR (~4GeV e)Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20183

第3回TIA光量子シンポジウム 2018.2.7

Muon Radiography

Unit-1height（ｍ）

原・金

Unit-2

N horizontal（ｍ） SSummary

2011年の⼤震災直後からKEKらのグループと福島第⼀原発の燃料デブリの状況把握のために宇宙線ミュー粒⼦を⽤いた検出法を開発。
筑波⼤（原）は検出器の設計・建設・データ解析を担当。
予備評価と3年間の観測を経て
 １号炉︓燃料装填位置には殆ど残っていない
 ２号炉、3号炉︓⼩型化した検出器を建屋壁直近置くことで、圧⼒容器下部の評価も⾏えた
ともに燃料装填位置には殆ど残っていない。2号炉では圧⼒容器下部に強い吸収があり、燃料デブリの可能性が⾼い。
 初期の目標を達成し終了。燃料デブリ量を評価できる⼿法として成果が特筆される。
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

Unit-3Structure of pressure
vessel loading zoneand below

44

PTEP論文2017.5.25

Muon Radiography
溶け落ちたデブリを下から観測できないか？

2m立法の鉄の観測に何日かかるか？

near

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

far

55

PTEP論文2017.12.23

Muon Radiography
水平方向宇宙線ミュー粒子の頻度分布をレンジ法により測定
従来の測定(θ=75°)と矛盾ない結果と水平方向の新しいデータを追加した

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

66

SOI pixel devices

原、池上SOI: SILICON-ON-INSULATORCMOS circuitry fabricated on
buried oxide(BOX)LAPIS 0.2um FD-SOIFeatures:• monolithic(no metal bumps)• SOI-CMOS (FETs fully isolated)• Can choose* substrate of optimum
resistivity (fully depleted CMOSsensors possible)*SOITEC SmartCutTM

many excellent features•••

Material budget
S/N
power dissipation

••
•

speed
cost
Pixel size•••

single event effects
latch up
Operation temp. (0.3K～570K)

TID tolerance improved to 1MGy by introducing double SOI wafer
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20187

SOI FPIX2 –World best Spatial
半導体検出器で0.65um (世界最高性能）を達成Resolution
TIPP2017 (Beijing, 2017 May ) 原
Press release (June 23, 2017)

SOFIST v1 (20um)
FPIX2 (8um)

VERTEX2017 (Las Caldas, 2017 Nov ) 原

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20188SOI Fine Pixel Detector
FPIX4• VLSI design (原)• Sub-board design/fab(岩波、卒論2017)
PIXEL Size 9x9um (same as FPIX3)
FPIX4 layout
8x8 um : minimum achieved in FPIX2
256x256 pixels
16 parallel outputs
Sub-board⇒SEABASVLSI design (TrTEG9)(安部、岩波、卒論2017)
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 20189第3回TIA光量子シンポジウム 2018.2.7

Precision neutron detector
FPIXの精密測定で~1umの中性子検出が可能かの基礎研究
z [um]

10B

 超冷中性子の重力場中の量子状態

SOI pixel ウラン濃縮度(JAEA “核査察”)

従来はプラスチックにつく傷をエッチングで拡大し顕微鏡観察（～数日必要）

エッジの非直線性、エッジでの散乱を含む

9 um/pixel ×0.443 pixel~ 3.9 ±0.2 um

Am-α線を用いて、バリアエッジを観測
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201810

SOI Testbeam@FNAL(2018 Feb/Mar)SOFISTのビーム試験
大面積 INTPIX4 を4台用いてビーム飛跡再構成
Pixel size : 17x17um
Sensitive area (8.7x14.1mm)

512x832 pixels-> 300 fps
faster by RoI selection

64x51264x51264x51213 parallel readout

このようなシステムは他には欧州のEUDET のみ(Mimosa 18.4um pitch, 576x1152 pix)
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201811

SOI Testbeam＠FNAL(2018 Feb/Mar)SOFISTv2 for timing study
thinned to 75 um

Timestamp correlation

Chip-B [us]

SOFIST: SOI Fine measurement of Space and Time500
Chip-A [us]12-b ADC
ramp
timestamp
Test-inBeam gate (500us)

ILC beam structure

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

σ=2.0us12

10年間の研究成果をHSTD11で発表(原)SOI Radiation-hardness● FPIX2 (100kGy) Testbeam: OK for ILC

SOIはSEEに強い~O(10)um

40nm
TID (total ionization dose) 効果● FPIX3 (1MGy) IR laser: 一般のCMOS に匹敵する性能

VSOI2• introduce 2nd electrode (DSOI: 2011)• optimize LDD for rad-hardness (2016)
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201813

SOI-3D: more functionality● Innovative detectors in TIA

Au-cone micro-bump• 最新の VLSI 技術と融合できる -> 先端加速器実験(ILC、FCC他)• 異種マテリアル(e.g. CdTe) との積層 -> X-ray detectors• 検出器の多層化 -> Compton camera, 4D detector
2018年度 TIA-かけはし:「3次元構造半導体量子イメージセンサーの調査研究」採択
KEK (倉知)-AIST(菊池)-U Tsukuba(原)-U Tokyo(池田)Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201814

LHC ⇒ HL-LHC(2026)

HL-LHC ATLAS ITk

Luminosity : 300 ⇒ 3000 /fb
放射線量 10倍
粒子密度 (~5倍）

現ATLAS
筑波大(原)はSCTの設計・建設を分担

事象数/ビーム交差＝200のシミュレーション

内部飛跡検出器 ⇒All silicon (ITk)Strip detector (12cm ⇒ 4.8/2.4cm)
Pixel detector (50x250 ⇒ 50x50um)
1st pixel: 3D
センサー設計 原・池上ndth
2 -5 : planar

3rd-5thに設置できるバイアス構造つきp型ピクセルモジュールを設計
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018 原・池上LSSS

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HL-LHC Strip Sensor

2005よりｐ型センサーを開発 海野（KEK)・原 他• Siは放射線を受けるとp型不純物を多く生成⇒p型は損傷後も同設計で稼働• 高速な電子を収集する⇒損傷による捕獲が減少
ATLASで全面的に採用
74umピッチ

最終設計サンプルの陽子照射評価

10x10cmのセンサーを並べる

和田(JPS 2017)
1MGy
100kGy@-20℃
ｆTEST=10kHz

 放射線損傷後も>50％(@500Vbias)の電荷収集
 DCタイプの試験:センサーは正常⇒将来の低コスト化
Co-γ線で空乏化電圧の低下
300V→250V(100kGy)⇒200(1MGy)“acceptor removal”を実証?

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

大鳴・原田・和田 201816

HL-LHC Strip Sensor
いくつかのセンサーで暗電流の不安定性が観測された• 湿度依存性があることを明確に示した(鈴木、和田)• 外的な傷のない場所での暗電流発生（鈴木）

表面保護膜の欠陥？

 成膜条件を変えて(HPK) 、暗電流が安定した
センサー製造 製造プロセスに反映し初期量産中
鈴木(修論2017、研究科長賞)
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201817

HL-LHC Pixel Sensor

原・池上
3rd-5thに設置できるバイアス構造つきp型ピクセルモジュールを設計

50x50um pixel(25x100umも可能)

ATLASに設置できるFlex基板
ピクセルモジュール(4x4cm)

 バイアス構造はASICにBBする前のセンサー試験に必要（ATLAS-J独自の提案）
 バイアス構造によりノイズがやや増加
25x100umモジュールのビーム試験（鈴木、内田、和田）⇒ピクセル境界で効率が劣るがバイアスを上げることで低減•••

バイアス抵抗の高抵抗化(HPK)
センサーの良品率は？（今年度）
そもそも「しきい値」の値は？（内田JPS, 原田卒論2017）⇒量産にむけたモジュール評価法の確立（今年度）

日仏FJPPL: 筑波大/KEK(原)ーLAL（Lounis）
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

陽子照射後モジュール鈴木(修論2017、研究科長賞)
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第3回TIA光量子シンポジウム 2018.2.7

Low-gain avalanche detector
時間分解能(~30ps)を実現する高位置分解能検出器
LGAD<P-typeのHL-LHC用照射研究から発見>
原High granularity timing detector (1.3mm)

MBTSをHGTDに交換（＠HL-LHC）• 時間情報から事象(多重度μ~200)を区別• 将来のハドロンコライダーFCCの飛跡再構成に使える細分化ピクセル(4D検出器）を目指す• PET能力を飛躍的に向上できる

Event jet

• LGAD増幅の基礎研究（和田卒論2016,理工学群長賞）
HSTD11での発表（和田)Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 2018

細分化されたLGAD増幅の研究（大鳴卒論2017）19

Low-gain avalanche detector
FNAL Testbeamを用いた時間分解能評価
LGAD
3個のDiodeを並べ、時間差分布から個別の分解能を評価
Monitor DiodeDRS4 VME

アンプボード30psを切る時間分解能を達成 （和田, JPS)
⇒データ(5GHz)から時間測定法の最適化⇒細分化読出し用アンプ
Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201820

Summary and Outlook
Muon-radiography
2011に開始したプロジェクトは1~3号炉の燃料デブリの観測を完遂

SOI monolithic pixels
FPIX4 (次のtestbeam用tracker), TrTEG9(放射線耐性）の開発研究
SOFIST（ILC用）の高機能化
3D stacking (FCCへの応用?)

HL-LHC ATLAS strips
設計の最終化（保護被膜）を経て、初期量産開始←放射線耐性を主に品質評価

HL-LHC ATLAS pixels
設計の最終化中。FC前のセンサー評価法(bias構造付き/dummy metal/no test?)
モジュール製造と品質評価

LGAD
ストリップ時間読出し、読出し回路のコンパクト化、FCCを目指した研究、、、

Tomonaga Center for the History of the Universe June 4, 201821