宇宙史研究センター ワークショップ
素粒子構造研究部門

SOI ピクセル検出器を用いた KEK PF-AR テストビームライン用
テレスコープシステムの性能評価
Performance evaluation of telescope systemwith SOI pixel detectors for KEK PF-AR test beamline
大森匠, 鈴木尚紀, 原和彦, 山田美帆A, 坪山透B, 武田彩希C, 三住京也C,他 KEK SOIグループ
筑波大学, 産技高専A, 高エ研B, 宮崎大学C
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

1

研究の動機と目的

周回周期1.257usのシングルバルク
50-65ｍAで運転• KEKに検出器の性能評価用 1~5 GeV/c 電子ビームライン PF-AR TB が完成し、今月、初ビームが観測された
南実験棟

動機• 飛跡を高精度に再構成するテレスコープシステムを設置したい

PF-AR

SOIセンサーをトラッカーとして使用

目的①テレスコープシステムを用いた飛跡の最適な再構成方法→ELPHの820MeV/c陽電子ビームを用いて評価②PF-AR TBにおける5GeV/c電子ビームに対する再構成分解能の予想→運動量スキャン(200～820MeV/c)と120GeV計算値による評価

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

2

SOI ピクセル検出器
Silicon-On-Insulator 技術を用いて酸化膜上にトランジスタを形成したモノリシック型検出器
酸化膜によりセンサー層と回路層が電気的に分離
本研究で用いたSOIピクセル検出器
INTPIX4NA
INTPIX4NAチップ
300um厚,ピクセルサイズ17um
INTPIX4とはセンサー厚のみが異なる。
同型センサINTPIX4(500um厚)はFNAL120GeV
陽子ビームテスト (2018)
で位置分解能~1.5umを達成

特長• 低物質量→多重散乱の抑制• ピクセルの微細化→高位置分解能の実現

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ3テレスコープシステムの概要• トラッカーINTPIX4NA (5枚)+トリガー用ピクセルセンサー(最下流)チップ

各間隔は32 mm

サブボード

ビームSEABAS2• DUT, トラッカーのいくつかの組み合わせでトラッキングを考える
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

4

DUTが薄い(～300um)場合(820MeV/c陽電子ビーム)• IP22,12,14 でのヒット位置を直線フィット(トラック)→トラックに平行な直線をIP12からIP13(DUT)に外挿• トラックからDUT上の再構成位置を決定→わずかに劣るため左の方式を採用

DUT

2-1

2-1(track)×11.99±0.10um
IP22

IP12

IP13

IP14

14.47±0.12um

IP15• 上流3枚+下流1枚でトラッキング(DUT＝IP14)
3-1• 2-1と3-1を比較→低運動量では単にトラッカーの枚数を増やすと、散乱により不利• 2-1トラックが最適なトラッキング方式(再構成分解能～12um)

15.71±0.12um
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

5

DUTが厚くビームが止まる場合(820MeV/c陽電子ビーム)• DUTより下流のセンサーは使えない• 上流2枚トラックと上流3枚トラックの結果
2-0

3-0

27.82±0.23 um

24.46±0.21 um
ここでもトラッカーを増やすと不利
ただし複数ヒット(ノイズ等)があると。。。
2枚トラックではトラックが2本引けてしまう↓
3枚トラックだとより正確にトラッキング可能
ただし散乱により不利↓
最終的なトラックはDUT直前2枚で引く
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

6

DUTが厚いがビームが通過する場合(820MeV/c陽電子ビーム)• IP13の下流(IP22の前面から78ｍｍ)に2ｍｍ厚アルミ板を挿入し模擬試験を実施
2-1• 上流2枚、下流2枚を用いた2本のトラックを考える
最近接点を与える位置→散乱位置78.83ｍｍ
2, 2
得られる2つの再構成位置の平均位置17.55±0.17um→18.76±0.26um• 2ｍｍアルミ板程度ではいまだに2-1が最良である
ただし、2-1は多重散乱により飛跡再構成分解能は低下• 2, 2はDUTの厚さの影響を受けていない
2022/3/23宇宙史研究センター

ワークショップ

events

アルミ板なしアルミ板あり11.93±0.10um→15.27±0.21um

アルミ板を挿入したときの散乱位置7運動量スキャン• 陽電子ビームの運動量 p=200, 300, 500, 820 MeV/c+120GeVにおける計算値→関数 𝝈 = 𝝈𝟐𝒊𝒏𝒕 + (𝒌/𝒑)𝟐 によるフィット結果から5GeV/ｃに対する再構成分解能を計算
𝝈𝒊𝒏𝒕 : INTPIX4NAの位置分解能ｋ: 定数5GeV/cに対して5.73±0.25 um

3-0
2.68±0.14 um

2-1

5GeV/c2022/3/23• 運動量に反比例→多重散乱の影響が支配的• 5GeV/cにおける位置分解能を推定
宇宙史研究センター

ワークショップ

8

PF-AR TBへの設置に向け開発したテレスコープシステムの再構成分解能評価を
ELPHにおける200～820MeV/c陽電子ビームを用いて行った。
①820MeV/c における評価

まとめ• DUTが薄い(~300um)場合2-1トラッキングの3枚目における再構成位置分解能が最良～12um• DUTが厚くビームが止まる場合

3-0により正確なトラックを識別し、最終的に2-0でDUT上の再構成位置を決定• DUTが厚いがビームが通過する場合
2ｍｍアルミ板程度では2-1が最良な分解能 ~15um ←DUTの厚さに依存
2, 2はDUTの影響を受けずに評価可能 ~18um②• 運動量スキャンと120GeV/c計算値から5GeV/cにおける再構成性能を推定

課題• フレームレートの向上(現在センサー全面読み出し~25Hz)→読み出しのFPGAにゼロサプレッション(ヒット情報のみのデータ送信)
PF-AR TB におけるチップサイズ当りを導入(300Hzまで向上する予想)のビームレート～300Hzに対応
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

9Back Up

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

10

PF-AR テストビームライン• Cuコンバータ• 5~6.5 GeVの蓄積電子ビームからdi-magにより取り出し• ビームレート最大 5 kHz の見込み• 周回周期1.257usのシングル
バルク

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

11センサ薄化 Geant4シミュレーション
各運動量の位置分解能評価➢ センサ厚を300μm / 130μm厚 / 60μm厚に設定➢ SN比からノイズを再現(SN=237)，各ピクセル10σでカット➡荷電重心法で位置を計算➢ 電荷の広がりσsim=9.0umに設定➡上流２枚/下流１枚で飛跡再構成
運動量 [GeV]

300μm厚130μm厚60μm厚18.72±0.09

5.95±0.05

4.76±0.06

24.56±0.04

3.23±0.03

3.67±0.04

33.07±0.03

2.41±0.02

3.33±0.03

42.36±0.02

2.06±0.02

3.31±0.03

51.90±0.02

1.83±0.01

3.36±0.03

薄すぎると信号量が落ちて位置分解能が劣化する300μm厚の方がよさそう？
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

12テレスコープシステムの開発動機
背景• 高エネルギー実験の測定器開発・評価用の1-5GeV/c 電子ビームライン “KEK PF-AR TB”が2022年完成
動機

位置分解能を知りたいセンサー
実際にビームが通った位置が重要

本研究で用いるSOIピクセル検出器
INTPIX4NA
センサーが示したヒット位置• 高い位置精度で再構成するためのテレスコープシステムを
PF-AR TB に設置したい
低物質量→SOIピクセル検出器 INTPIX4NA を用いて、 高位置分解能テレスコープシステムの開発を行った

同型センサー INTPIX4(500um厚)はFNAL120GeV
陽子ビームテスト (2018)
で位置分解能~1.5umを達成
INTPIX4NAチップ→300um厚,ピクセルサイズ17um→INTPIX4とはセンサ-厚が異なる。
位置分解能は~1.5umとして解析している。

目的• GeVオーダーのビームは多重散乱の影響を受けやすい→東北大学電子光理学研究センター(ELPH)にて

800MeV/c陽電子ビームを用いて飛跡再構成分解能が最良となる再構成方式を探る
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

13

SOI (Silicon-On-Insulator) ピクセル検出器とは• センサー層と回路層が絶縁膜で分離されたモノリシック型の荷電粒子検出器

本研究で用いるSOIピクセル検出器
INTPIX4NA
同型センサー INTPIX4(500um厚)はFNAL120GeV
陽子ビームテスト (2018)
で位置分解能~1.5umを達成
INTPIX4NAチップ→→INTPIX4とはセンサ-厚が異なる。
位置分解能は~1.5umとして解析している。
http://rd.kek.jp/project/soi/research.html

ハイブリッド半導体検出器→• ハイブリッド型検出器に比べて• 低物質量→多重散乱の抑制•2022/3/23
ピクセルの微細化→高位置分解能

https://rd.kek.jp/project/soi/thesis/1703sekikawa_Mthesis.pdf

宇宙史研究センター

ワークショップ

14テレスコープシステムの概要•SEABAS2チップ

KEK PF-AR TBライン(電子ビーム1-5GeV)におけるセンサーの性能評価に有用なテレスコープ(飛跡再構成)システムの開発
トラッカーINTPIX4NA
SOI ピクセル検出器
トリガー検出器XRPIX5→読み出し領域を指定できる(ROI)
トリガーの選択とフレームレートの向上

サブボード

同期システム• SEABAS2へ定期的Reset(100kHz)• Trigger信号→読出し開始• Time Stamp(1kHz)
6枚のTime Stampが一致したデータを解析

USAGI→ビーム

センサー間隔 32 mm

2022/3/23↑同期システム(USAGI)• SEABAS2へ定期的Reset(100kHz)• Time Stamp(1kHz)• Trigger信号→読出し開始 BUSY中は無視
6枚のTime Stampが一致したデータを解析
宇宙史研究センター

ワークショップ

15ペデスタル評価(ELPH データ)
• 各ピクセルのペデスタルを予め求める←1pixel(CA128,RA128)
ペデスタル分布• フレーム毎にこのペデスタル全体が揺らぐ→揺らぎ分の平均を差し引いて補正をする• 2種類の補正方法①平均値をセンサー全体で計算する global 補正②ブロックごとに計算する block 別補正↓RUN毎のRMS

1000th frame 全ピクセルのペデスタル分布
このフレームでは補正による違いは顕著でない↓
-0.6
補正なし

2022/3/23

global 補正

block 別補正
宇宙史研究センター

ワークショップ

16ペデスタル評価(ELPH+筑波大)• PF-AR ビームレート+ Run毎のばらつき→Block 別補正で解析• 各ピクセルのペデスタルのσを計算し、その平均値をセンサーのノイズとして評価した

PF-AR ではさらに高レート
ファンクションジェネレータでレートを変えて外部トリガーを入力

ELPH
820MeV
データより
PF-AR の最大ビームレート↑ペデスタルの揺らぎの周波数依存性
2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ17

Ex 1kHz
5枚同期測定
IP22
遮光あり
補正なし

2022/3/23

グローバル補正

補正なし

グローバル補正

宇宙史研究センター

ワークショップ

ブロック別補正

ブロック別補正18

Ex 1MHz
5枚同期測定IP22遮光あり

補正なし

グローバル補正

ブロック別補正

7ch(CA中央)付近のRMSが補正なしでは最も低い。グローバル補正では5, 9chといった、CA中央のすぐ両側付近が最も低く、ブロック別補正だとチャンネル毎のRMSの差はほとんど見られず、チャンネル境界付近のRMSがわずかに高いことがわかる。
補正なし

2022/3/23

グローバル補正

宇宙史研究センター

ワークショップ

ブロック別補正19クラスタリングとクラスタ電荷量(ELPHデータ)• ヒットピクセル(シードピクセル)の特定
1フレームにおいて最大ADC値をもつセンサー端3pix以内には作らない• クラスタシードピクセル中心に上下左右10ピクセル範囲• ヒット位置の特定

クラスタ数

ノイズ[ADC]

S/N

IP22

1.6225

IP121.8181

IP131.8186

IP141.8148

IP151.6230• MIP によるLandau 分布が得られた→ピーク値とノイズ分布から S/N を計算

クラスタサイズクラスタチャージ
ノイズ

2022/3/23

INT4NA

宇宙史研究センター

ワークショップ

20様々なトラッキング方法と位置分解能評価(823.26MeV/c 𝑒 ビーム)+

数字はトラックに用いた枚数

最も良い
位置分解能
散乱をがある場合、最も良いはず、、

方法

X 方向 [um]Y 方向 [um]Ⅰ(3-0)

27.82±0.23

28.32±0.24

Ⅱ(3-0)

28.77±0.24

29.60±0.20

Ⅲ(3-1)

15.71±0.12

14.44±0.12

Ⅳ(2-1)

11.93±0.10

11.90±0.10

Ⅴ(2-1)

12.52±0.1112.78±0.11

Ⅵ(2-2)

19.21±0.16

19.13±0.16

Ⅶ(1-1)

12.42±0.1112.26±0.11

Ⅷ(1-1)

12.39±0.1112.41±0.11

Ⅸ(1-1)

12.99±0.1213.30±0.10

Ⅹ(2-0)

24.12±0.20

24.03±0.20

Ⅺ(2-0)

24.43±0.2124.47±0.21

Ⅻ(2-0)

25.61±0.2426.10±0.20

複数のトラッキング方法を DUT を変えて試行
赤色センサー=DUT, 灰色センサーは使わない• 多重散乱の影響は少ない• 3-0のほうが2-0より正確なトラッキングができるはず
2022/3/23
宇宙史研究センター ワークショップ

21

χ2カットによる散乱事象の除去𝑥• 𝜒 2 = σ𝑡𝑟𝑎𝑐𝑘𝑒𝑟( 𝑡𝑟𝑘𝝌𝟐 カットを使うと散乱の大きな事象を除去できる
Linear−𝑥ℎ𝑖𝑡 2𝜎𝑖𝑛𝑡) で計算した• 𝑥𝑡𝑟𝑘 :トラック位置• 𝑥ℎ𝑖𝑡 :ヒット位置• 𝜎𝑖𝑛𝑡 :固有の位置分解能~1.5um
Log

χ2 =50x: 24.12±0.20 um
y: 24.03±0.20 um

x: 27.82±0.23 um
y: 28.32±0.24 um

x: 24.44±0.27 um
y: 24.83±0.24 um

3-0 は散乱を起こしている事象を含むことで、位置分解能が悪くなっていることがわかった→やはり3-0による飛跡の再構成は必須だが、最終的な飛跡の位置は2-0でやると良い
2022/3/23

宇宙史研究センター

やはりこのヒット
情報は必要

ノイズによる信号
ワークショップ

22

INTPIX4NA 全空乏化電圧の測定• INTPIX4NA に印加する逆バイアス
電圧を1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60,80 Vと変化させた。

• 空乏化電圧は約25V

抵抗値から計算される値と一致

約25V付近で収集電荷量が飽和空乏層にかかる電場が大きい
ため電荷が広がる前に収集

位置分解能
2022/3/23

空乏層が広がる効果

宇宙史研究センター

ワークショップ

23

斜めに入射するビームに対する位置分解能• テレスコープを傾けて位置分解能評価を行った。
DUT=IP14,(3-0)↓クラスタ分布から傾きが確認できる→823.26MeV/c と同等の位置分解能• ROIの変更によりアライメントの修正が必要であった

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ24

2022/3/23

IP12, 13, 14とアルミ板による散乱は2.96 mrad
ワークショップ
測定値と誤差の範囲で一致

宇宙史研究センター

25

運動量スキャンDUT 2枚目
1-1トラッキング

DUT 5枚目
4-0トラッキング

120GeV/cで。。。
2-1 3.5um
3-0 1.84um

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

26

IP=13入射前後の傾きの差

IP13+アルミ板入射前後の傾きの差

アルミ板入射角～0rad2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

27

IP12

IP22

IP14

2022/3/23

IP13IP15

宇宙史研究センター

ワークショップ28

492.50MeV/c

823.26MeV/c
dx/dz

dx/dz

dy/dz

197.94MeV/c

297.30MeV/c
dx/dz

dy/dz

2022/3/23

dy/dz

dx/dz

宇宙史研究センター

ワークショップ

dy/dz

29

IP22

IP12IP142022/3/23

IP13IP15

宇宙史研究センター

ワークショップ30

dx/dzdy/dz

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

31Each pixel Pedestal + 10σカット

Global pedestal ave+ threshold 70ADC(IP14 90ADC)

block pedestal ave+ threshold 50ADC(IP14 70ADC)

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

ヒットピクセル450以上のイベント+
センサー端10ピクセル
破棄

32

以前10σcut

領域毎に定数カット

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ33

2-2aveにおけるアライメント補正

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

34

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

35

events

アルミあり

アルミなし

Mean 63.83

補正後residual

2022/3/23

宇宙史研究センター

ワークショップ

36