岩城智

谷森達，窪秀利，身内賢太朗，水本 哲矢，Parker Joseph，澤野達哉，中村輝石，松岡佳大，古村翔太郎，佐藤快，高田淳史A，岸本祐二B，上野一樹C，株木重人D，黒澤俊介E，田中真伸F，池野正弘F，内田智久F，
他 オープンソースコンソーシアム（Open-It)
京大理,京大生存圏研A，KEK放射線科学センターB，理研C，
東海大医D，東北大金属研E，KEK素核研F
2011年9月18日
日本物理学会2011年秋季大会@弘前大学文京町キャンパス• Introductiono Electron Tracking Compton Camera (ETCC)
o 気球実験SMILE• CMOS-ASICo FE2009bal
o テストパルスによる性能評価
o μ-PICとの接続試験• 新読み出しボード• SummarySub MeV~ MeV γ線によるイメージング•γ線天文学(気球実験 SMILE)•核医療

micro-TPC・μ-PICを用いた
Time Projection Chamber・反跳電子の飛跡とエネルギーを測定

シンチレーションカメラ
・Pixel Scintillator Array+Multi Anode PMT・散乱γ線の吸収位置とエネルギーを測定

1event毎にコンプトン散乱を再構成
エネルギーと到来方向を一意に決定

Sub-MeV gamma-ray Imaging
Loaded-on-balloon Experiment
SMILE-Ⅰ実験（2006年9月1日）


10×10×15cm3 ETCC(512ch読み出し)@三陸 35km 4h
動作実証及び宇宙拡散γ・大気γ線測定
m-PIC読み出しにはATLAS TGC ASDを使用
ASD(Bipolarプロセス) : 59mW/ch

SMILE-Ⅱ実験

(30 cm)3 ETCC (1500ch読み出し)@大樹町(北海道) 35km 2-3h
長期運用システムの試験 2012
@キルナ(スウェーデン) 40km ~2w
明るい天体 REP-burstの観測 2013～

ATLAS TGC ASD 64ch board

4ch/chip

気球では電力、重量及びスペースは限られているため、省電力＆コンパクトな読み出しシステムが必要• 現在μ-PICからの信号は、SONY製のASD (amplifier-shaper-discriminator) chipで読み出し⇒生産中止• 省電力化ASD : 60mW/ch⇒90W for (30cm)2m-PIC
SMILEⅡでは30W以下に抑えたい⇒20mW/ch以下を目標• 回路の高集積化
現在ASD chipがかさばっていて、30cm角μ-PICになると扱いづらい
ASD:4ch/chip ⇒ 16ch/chipへ
そこで、低消費電力のCMOS ASIC chip をKEK回路室と共同開発してきた

• MIPトラックを取得したい⇒ノイズレベル 6000e- (Cd = 100pF)• 電子のエネルギー取得⇒アナログ出力：ダイナミックレンジ±1pC• 100MHｚでサンプリング⇒タイムウォーク<10ns (5fC~1pC)(ASDのタイムウォーク：20fCからで6.5ns、Vth=5fC)

CAL
Input
ch0

Preamp

PZCanalog ch0Shaper

AOUT

Sumamp

ABufAmp×30

DOUT1Comp
aratorDACch15

VthCAL/DAC
Control

digital ch0
DOUT16analog ch15

digital ch15構成
－電荷有感型前置増幅器/波形整形回路/コンパレータ
主な仕様－製造プロセス：TSMC0.5μmCMOS－電源：±2.5V－チャンネル数：16ch－出力：デジタル CMOS2.5V,アナログサム

ASD

FE2009bal

416

ピーキングタイム

20ns

30ns

ダイナミックレンジ-1.2～2.0pC±1pC

ノイズ(Cd=100pF)～3000e~6000eクロストーク

0.5%以下

≪0.5%
(全ch)

タイムウォーク～6.5ns(20fC-1pC)<～6ns(10fC-1pC)
6-bit DAC

59mW/ch

18mW/ch

Ch数

Vth ばらつき補償

消費電力

4mm

パッケージ :
LCP100P

アナログ入力(16ch)

バイアス系
電源(±2.5V)

アナログSum出力、テスト入力
DAC補正用回路など

電源+2.5V : 47mA
-2.5V : 66mA
⇒17.5mW/ch(シミュレーション：15mW/ch)
シミュレーションよりは大きいが要請値(20mW以下)はクリア

16mm

デジタル出力(16ch)

Qin=0.5pC

Input
400mV
Analog Sum•••

入力 -1pC～1pC
Gain ～800mV/pC
Peaking time ～30ns

シミュレーションとほぼ一致• 64chボード作成(デジタルはLVDSに変換して出力)
FE2009bal 4つで64chのボードを作成
Anode、Cathodeとも64chで読み出し⇒2.5cm×2.5cmの有感領域•

データ取得条件
oooo

使用ガス Ar 90% C2H6 10% 1atm
Drift Top -4.5kV (0.25kV/cm)⊿GEM : 400V（P140-φ70-100t LCP）
Anode +420V

ASDでの測定ではGain～40000

線源:109Cd

400mV Analog Sum

22keV
Res.=20%(FWHM)

Digital (LVDS)

m-PICからの信号を確認

プラシンガス
m-PICz

有感
領域
プラシン

10㎝

宇宙線ミューオンの飛跡を確認,MIPの取得に成功
FE2009balの性能はOK
このチップを用いた読み出しシステムを開発する

プロトタイプ(30cm)3ＥＴＣＣ

エンコーダー1m
micro-TPC

ASD

ASD

＋VME
（Memory board,FADC,etc）＋NIM(Logic)• 読み出し回路重量 : >60kg(治具、ケーブル等含む)• 気球のVesselのサイズ制限(φ90cm)⇒より軽量＆コンパクトな読み出しボードの開発

118mm

220mm

FPGA

•
••
•

8 FE2009bal chips (128ch).
32ch sum analog signal output.
10bit 100MHz ADC ×4.
FPGA : Xilinx Spartan6(XC6SLX100-2FGG676C) .
• Parallel LVDS output
260W for a (30cm) m-PIC
50MHz, 32bit (1.6Gbps).
• ±2.5V and +3.3V are required.
8 FE2009bal chips• Power Consumption : ~5W/board.

Analog
4ch(30cm)2m-PIC

FE2009bal(16ch)
×8

ADC

Digital
128ch

FPGA

DAC control

×12 boards

Trigger
I/O

Hit position,Clock
ADC data
VME
LVDS
Memory32bit×board
50MHz

10cm

データ取得条件
oooo

ガス : Ar 90% C2H6 10% 1atm
Drift Top -4.5kV (0.25kV/cm)⊿GEM : 350V（P140-φ70-50t LCP）
Anode +450V

ASDでの測定ではGain～50000

109Cd

線源:109400mV
Cd200ns

Analog SumDigital400ns• FPGAのバグのため(?)50MHｚでサンプリング• FADCで4ch分のアナログ波形が取れていることを確認• Hit信号によるトラッキングは今後• m-PICを用いたETCCによる気球実験SMILEⅡにむけ、省電力なCMOS ASIC chip FE2009balを開発• FE2009balを用いたコンパクトな読み出しボードを開発
消費電力 : 160W ⇒ 60W (30cm)2 m-PIC
重量 : 60kg ⇒~20kg••••

新読み出しボードでのMIPトラックの取得
コンプトンイメージングテスト
FPGAロジックを含めたDAQの最適化
Flight Model への組み込み

μ-PIC(というかμ-TPC)の信号を読み出すのに必要な仕様をおさらい• ダイナミックレンジについて
1ストリップに最大の電荷が入ってくるのは5.9keV / 26eV * 30000倍 * e = 1.1pC
Anode、Cathode両方よむので、ダイナミックレンジは±1pC以上• ノイズレベルについて最小の電荷は Ar ガス中をMIPが走った時。
1ストリップに落す一次電荷量は1.37MeV/(g*cm-2) * 1.66g/cm3 * 400um= 90eV⇒90eV / 26eV * 30000倍 * e = 16fC
統計揺らぎを考えると1.37MeV
1e * 30000 = 5fCからとりたい。
⇒ノイズレベル~3fC以下が必要

• ドリフト速度最速のCF4で~10cm/usec• クロック100MHｚ(10ns)でサンプリング⇒1clkずれるとz方向に~1mmのずれ• 最小の電荷が5fCなので、5fC以上の領域でタイムウォーク10ns以下が要求値(ASDのタイムウォーク：20fCからで7ns、Vth=5fC)

• アナログ出力
各chのアナログをSumして出力足し合わせたときにSaturateしないように適当に減衰させる• デジタル出力
これまでLVDS出力だった。
LVDSドライバが電力食い⇒CMOS2.5V出力に• 消費電力に関して• SMILEⅡにおけるm-TPC全読み出しch数は1536ch((30cm)2m-PIC)• これを60W程度で読み出す(Digital込)• Digitalで半分くらい⇒Analog系は～30W⇒余裕をもって18mW/chを目標とする

項目

目標

備考

Ch数

16ch/chip

ダイナミックレンジ±1.0pC以上

下方修正

ノイズレベル<5000eCd=100pF

タイムウォーク

10ns以下5fC以上の領域でピーキングタイム@PZ~20ns

ピーキングタイム@ shaper～50ns

この程度なら問題なし
重要なのはtime walk

出力

CMOS2.5V

LVDSドライバをなくす

消費電力

18mW/chもう1, 2mW程度は許容10cm

8ch/chip

20cm構成－電荷有感型前置増幅器/波形整形回路/コンパレータ
主な仕様－製造プロセス：0.5μmCMOS－電源：±2.5V－チャンネル数：8ch ⇒ もっと集積度を上げたい
55FeによるX線イメージ－出力：デジタルLVDS,アナログサム－消費電力：30mW/ch ⇒ さらに消費電力を抑える必要性

入力-5mV

preamp3.5mV

PZ-11mV

Shaper

10mV

Sum amp2mV

デジタル012[us]600 [mV]
20021-200

00-10[pC]

12-2-10[pC]

12-600-400-1-2-2

Sum amp 出力

400

3 [V]

Shaper 出力-3-3-2-10

123 [V]PZ 出力-2-10[pC]12タイムウォーク(ns)

10fC
最大6ns
(10fC-300fC)

入力電荷(fC)
10fC~1pCまででタイムウォークは~6ns
シミュレーション(7ns)と同程度
30

After calibration: 20mV(0.4fC)

Before calibration: 300mV(6ｆC)

2011/1/17

FPGA : Vertex2P XC2VP30 ×8
SDRAM : オプションで512MBまで
Memory Board とのI/F : DX20BM-68S
2011/1/24 追加

ADC

Analog 4ch

Clock

Data exist
FIFO

TriggerClear
Digital 128ch
CMOS 2.5

FIFO

Edge
検出

Data
formatTransfer
To Memory BoardFPGA
DAC control 3ch
Vth(-1～1V)

DAC

DAC control

シールド
いわきちっぷ128ch + エンコーダ

To MB ×2

いわきちっぷ128ch + エンコーダ
シールド

シールド
m-PIC

CR-基板