放射線源を用いたsPHENIX実験-中間飛跡検出器INTT用
シリコンセンサーの性能評価
奈良女子大学理学部数物科学科物理学コース4回生
並本ゆみか

2021/3/1

卒研発表

1目次

1. 研究背景2. 研究目的
3. 測定方法
4. 測定結果
5. まとめ
6. 今後の課題

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2研究背景RHIC-sPHENIX実験• アメリカブルックヘブン国立研究所(BNL)
RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)加速器での実験• 2000年-2016年まで稼働していたPHENIX実験を高度化、2023年より稼働予定
実験目的• 衝突によって発生するJet現象やUpsilon粒子を測定し、QGPの性質を決定する
衝突核子、エネルギー• 金原子核対(200GeV)、陽子対(510GeV)

QGP(Quark-Gluon Plasma)
高温、高密度状態で、ハドロン内に閉じ込められていたクォークやグルーオンが解放されたプラズマ状態の物質
ビッグバンから約10−5 秒後に実現していたとされる
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中間飛跡検出器INTT• INTT(INTermadiate Tracker)• sPHENIX実験で用いられる、衝突点付近に存在する3つの飛跡検出器のうちの1つ• 樽状の2層構造のストリップセンサー• ビームパイプから6-12cmに位置する• 時間分解能が高く、飛跡再構成等において重要な役割を担う

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4

INTT用シリコンセンサー
シリコンストリップセンサー• 78μmピッチ、320μm厚のストリップ128個で1つのセンサーが構成されている
シリコンセンサーモジュール• シリコンストリップセンサー26個で構成される• 26個の読み出しチップ(FPHXチップ)が存在し、1つのチップが128channel(1センサー)分の信号を担う• 全センサー数は128 × 26 = 3328個• ストリップ番号をchannel、チップ番号をchipと呼ぶ
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研究目的
• ベータ線源ストロンチウム90を用いてシリコンセンサーの荷電粒子検出能力を評価する• テストベンチのセットアップを、より多様な測定ができるように改善する

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測定方法
セルフトリガー方式の模式図
シリコンセンサー自身が荷電粒子を検出した際にデータを取る方式

β線
FEM
FEM-IBROC

INTT Silicon Sensor

Conversion cable

外部トリガー方式の模式図
シリコンセンサーとシンチレーションカウンターの双方が荷電粒子を検出した際にデータを取る方式

β線
FEM
FEM-IBROC

INTT Silicon Sensor

Conversion cable

Scintillation counter
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7

セットアップ• セルフトリガー測定はシリコンセンサーをアルミケースに入れて、外部トリガー測定はアクリルケースを用いて行った• アクリルケースは蓋もアクリル板でできており、センサー上部には穴が空いている

Sr90

Sr90

6mm

15mm

Silicon Sensor
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8

データ読み出し回路• シリコンセンサーが荷電粒子を検出すると、アナログ信号がFPHXチップに送られる• FPHXチップは受け取ったアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンバージョンケーブルを通してROC(ReadOut Card)に送る• ROCに送られた信号はデータ送信ケーブルを通じてFEMへ、FEMからPCへ送られる

デジタル信号

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アナログ/デジタル変換

アナログ信号

FPHX chip

Silicon sensor

Discriminator

Scintillation
counter9DAC値設定• PCから設定するシリコンセンサーの閾値のこと• シリコンセンサーを通過した荷電粒子について、センサーに落とした信号の大きさによってデータを取るか、取らないかを設定する• 8段階に設定できる• 以下の関係式で、DAC値から電圧値に変換できる
デフォルト設定
設定値 電圧値

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DAC010250

DAC123302

DAC248402

DAC398602

DAC4148802

DAC5172

898

DAC62231102

DAC72481202

閾値=𝐷𝐴𝐶値 × 4 + 210(mV)

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10測定結果
1. セルフトリガー測定結果(DAC0=10)
2. 回路起源のノイズ
3. DAC値設定の変更

4. セルフトリガー測定結果(DAC0=20)
5. セルフトリガー測定のまとめ
6. 外部トリガーへの変更
7. 外部トリガー測定結果

8. 外部トリガーについての検討
9. INTT1以外のセンサーモジュールを用いた測定結果
10. Channel落ち込みの原因探索

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11測定結果:セルフトリガー測定-CHIP1,14• Chip1,14の間に線源を配置し、10分間セルフトリガー方式で線源測定を行った• DAC値設定はデフォルトのまま
entries

Chip_id• 線源に最も近いchip1,14がエントリー最大になっていない
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卒研発表※点線はセンサーの列の切り替わりを示している
12

測定結果:回路起源のノイズ① Amplitude：テストパルスを入力したときに1以上の数値が得られる

entries

今回はテストパルスは入力していないので、amplitude1以上のエントリーはすべてノイズである② Module：シリコンセンサーが接続されているROCのポートと対応amplitude

entries

今回接続しているC3ポートはmodule番号6番と対応しており、それ以外のポートは使用していないのでノイズである

module2021/3/1

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13測定結果:ノイズ比較•

Chip1の測定結果のヒストグラムで、module番号6、amplitude0のみを表示すると次のようなヒストグラムが得られた•

Chip1,14のエントリーが最も多くなり、この2つに近いchipほどエントリーが多い•

ADC分布では、ADC0のエントリーが最も多くなっている
entries

entries

chip_id
entries

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chip_id
entries

ADC

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ADC

14

測定結果:セルフトリガー測定-CHIP12,25• Chip1と同様の線源測定を、chip12,25上に線源を配置して行った• chip1と同様に、module番号6番、amplitude0のみを選択した
entries

Chip_id• Chip12,25のエントリーが多い• それ以上に線源から距離のあるchip1-5,14-18のエントリーが多い
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15測定結果:セルフトリガー測定-線源無し• これまでと同様の測定を、セットアップから線源を取り除いて行った• 測定時間は10分
entries

entries

Chip_id•

青が線源無し測定、赤がchip12,25上に線源を置いたときの測定結果である•

線源がないのに100万以上のエントリーが来ている→ノイズである

ADC• ノイズの殆どはADC0に来ている

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16測定結果:セルフトリガー測定-線源無し• DAC0=20に変更して10分間測定を行った

entries

entries

Chip_idADC• 青がDAC0=10、赤がDAC0=20• DAC0=10に比べ、エントリー数が大きく減少している• 特にADC0のエントリー数が減った

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17測定結果:ノイズについて• 線源測定では、回路起源のノイズとシリコンセンサー起源のノイズが見られる• 回路起源のノイズは、module番号やamplitudeを指定することで排除できる• シリコンセンサー起源のノイズは、DAC0の値を上げることで減らすことができる

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DAC0の変更• DAC0=10で線源測定を行うと、ノイズを多くとってしまうことがわかった• そのためDAC0=20に変更して線源測定を行った

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設定値

電圧値(mV)

DAC020290

302

DAC123302

48402

DAC248402

DAC398602

DAC398602

DAC4148802

DAC4148802

DAC5172898

DAC5172898

DAC62231102

DAC62231102

DAC72481202

DAC72481202

設定値

電圧値(mV)

DAC010250

DAC123DAC2

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19測定結果:セルフトリガー測定-CHIP1,14• Chip1,14の上に線源を配置して線源測定を行った• 赤がDAC0=20、青がDAC0=10の結果である
entries

DAC020DAC1

23

DAC248DAC398DAC4148

DAC5172

DAC6223

DAC7248

Chip_id• Chip1,14のエントリーが他のchipより多くなっている• 線源から遠いchipではエントリーがかなり少なくなっている→DAC0を20に上げるとノイズの数を減らすことができる
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20

測定結果:セルフトリガー測定-CHIP1• 同様のDAC値設定で、chip1の真上に線源を置いて測定を行った
Sr90

entries

entrieschannel_id

Chip_id• Chip1のエントリーが最も多くなっている• chip1のchan0-10のエントリーが他のchannelに比べ少なくなっている
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21測定結果:セルフトリガー測定-CHIP1
entries

entrieschan_id
entrieschan_id• 線源を置いたchip1近くのchip2,3,14もchan0-10のエントリーが落ち込んでいる

Sr
90

chan_id
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22測定結果:セルフトリガー測定-CHIP1•

chip1のchan0-10の真上に線源を置いて測定を行っても、chan0-10のエントリーの落ち込みは見られた
Sr90

entrieschannel_id
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23測定結果:INTT1のCHANNEL分布• INTT1では、すべてのchipでchan0-10のエントリーの落ち込みが見られた• DAC0=10ではこの落ち込みは見られない
chip13

chip20entries

entries

DAC0=20chan_id

chan_id
entries

entries

DAC0=102021/3/1

chan_id
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chan_id24セルフトリガー測定のまとめ• DAC0の値が10だとノイズが多く、20に上げるとノイズを減らすことができる• DAC0=20で線源測定を行うと、線源に近いchipのchan0-10のエントリーが落ち込んでいることがわかる• DAC0が10のときはchan0-10の落ち込みはないのか、落ち込んでいるがノイズで見えないのかわからない→DAC0=10でもノイズをあまり取らずに測定したい→外部トリガーを用いる

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25

外部トリガー測定への変更• β線はアルミ等の薄い金属板で遮蔽されてしまう• シリコンセンサーケースはアルミ製なので、β線を通さない→β線がケースを貫通できるよう、アクリル製のセンサーケースを制作した• センサーの下にシンチレータを置き、センサーとシンチレータの両方にエントリーがあったときにデータを取るよう設定した。

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測定結果:外部トリガー測定• DAC値設定をデフォルトに戻し(DAC0=10)、シンチレータを外部トリガーとして用いて線源測定を行った• 外部トリガーの有無で結果がどう変化するか確認するため、同様のセットアップでセルフトリガー測定も行った

13.1mm5mm

15mm

21.65mm2021/3/1

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測定結果:外部トリガー測定-CHIP3,16
外部トリガーなし

外部トリガーあり
entries

entries

Chip_id• 外部トリガーありの場合は線源に最も近いchip3,16のエントリーが最も多くなっている• 外部トリガーなしではchip3,16以外のchipのエントリーが多い→DAC0の設定値が低くても、外部トリガーを使えばノイズは減らすことができる
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測定結果:外部トリガー測定-CHIP3,16• 外部トリガーあり/なしそれぞれでのadc分布を比較すると下図のようになった• 赤が外部トリガー(シンチレータあり)、青がセルフトリガー(シンチレータなし)
全chipのadc

chip3のadc
entries

entries

ADCADC• 外部トリガーを用いるとADC0にくるノイズを大きく減らすことができる

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29

測定結果:外部トリガー測定-CHIP3,16• 線源に近いchip3のchannelごとのエントリー数は次のようになった

外部トリガーなし

外部トリガーあり
entries

entrieschannel_idchannel_id• 外部トリガーありの分布図はエントリー数が少ないため、channel分布に偏りがあるのかわからない

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30

外部トリガーについての検討• DAC0=20とするとセルフトリガー測定でのノイズを減らすことができるが、DAC0,1の間隔が狭い、DAC値が10以下に来るデータが取れないという問題がある• シンチレータを外部トリガーとして用いると、低DAC値にくるノイズを減らして測定できる→ただし、シンチレータを用いると1時間あたりに観測されるエントリー数が10分の1になる。その分測定時間を伸ばすことが必要• 以降はシンチレータを外部トリガーとして用い、測定時間を長くして測定を行った

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測定結果:外部トリガー測定-chip16• シンチレータを外部トリガーとして用い、INTT1で155分間線源測定を行った
DAC0

10

DAC1

23

DAC248DAC398DAC4148

DAC5172

DAC6223

DAC72482021/3/1

アクリル板

5mm5mm15mm

Sensor21.65mm

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32

測定結果:外部トリガー測定-chip16

Sr90

entries

entries

Chip_id

ADC• 線源に近いchip16のエントリーが最も多くなっている

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33

測定結果:外部トリガー測定-chip16• 線源に最も近いchip16のchannel分布は以下のようになった

Sr90

entrieschannel_id• Chan0-10のエントリー数が落ち込んでいる
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34

測定結果:外部トリガー測定-INTT2• 別のセンサーモジュールINTT2を用いて、852分間線源測定を行った

Sr
90

entries
entrieschannel_id

Chip_id• このモジュールでもchan0-10の落ち込みが見られた
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35

Channel落ち込みの原因探索• Chan0-10がβ線を検出できない原因は、テストベンチのどこにあるかを調べる
キャリブレーションテストの解析• キャリブレーションテスト:ROCからFPHX chipへテストパルスを送り、信号が返ってくるか確認する• PC,FEM,FEM-IB,ROC,FPHX chipの動作確認ができる→異常がなければ、線源測定でのchan0-10の落ち込みの原因はシリコンセンサーにあることになる

Test pulse

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Channel落ち込みの原因探索• キャリブレーションテストの結果として表示されるADC vs amplitude のヒストグラムの切片、傾きを調べる→キャリブレーションテストに異常があれば、傾き、切片がおかしくなっているはず

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Channel落ち込みの原因探索• INTT1を用いた、過去10回分のキャリブレーションテストについてヒストグラムの切片、傾きの値を調べた• 落ち込みの見られるchan0-10と、落ち込みのないchan60-70の切片、傾きを比較した

切片:-4.192
傾き:0.1239

Chan0-10• 切片、傾きともに大きな違いはない→キャリブレーションテストに異常はない• Chan0-10の落ち込みの原因は
FPHX chip-Silicon Sensorにある
Chan60-702021/3/1

切片:-4.194
傾き:0.1254

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測定結果:外部トリガー測定-NCU-Pre002• 台湾から送られてきたNCU Pre-002というモジュールではchannelの落ち込みは確認されていない

entries

entries

Chip_id
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channel_id
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まとめ• センサー用アクリルケースを制作したため、外部トリガーを用いた線源測定が行えるようになった• 外部トリガーとしてシンチレータを用いると、DAC値設定が低くてもノイズをあまり取らずに測定ができることがわかった• 線源測定を行うと、シリコンセンサーのchan0-10のエントリーが落ち込んでいることがわかった• この原因はFEM,FEM-IB,FPHX chipにはなく、シリコンセンサーにある• INTT1,2でこの現象は見られるが、台湾から送られてきたNCU Pre-002というモジュールでは現在見られていない

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40

今後の課題• Chan0-10のエントリーの落ち込みはなぜ起こっているのか、さらに詳しく調べる• この落ち込みが見られるINTT1,2とNCU Pre-002では何が違うのか調べる

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BACK UP

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キャリブレーションテストのヒストグラム

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結果:INTT2を用いた線源測定①•

別のシリコンセンサーモジュール(INTT2)を用いて、同様の線源測定を行った。

Sr90

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測定結果:INTT2のCHANNEL分布• Intt2の測定結果はすべて外部トリガーを用いている

chip16
entries

DAC0=20

entries

DAC0=102021/3/1

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ストロンチウム90の壊変図• Sr90は2度のβ-崩壊を起こしZr90に壊変する• β-崩壊で放出されるβ粒子の持つエネルギーは一定ではない。下図中には平均エネルギーを記載した

28.1y90

Srβ−64h0.546MeV90Y

β−1.752.280MeV

90

Zr

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コリメータを用いた線源測定• 下図のようにコリメータを用いた線源測定を行った。

2cm

3.5cm

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47

結果:コリメータを用いた線源測定③• Chip1のchan0上に線源を置き、4時間測定した。

Sr90• ROC3(C3)-large#9-INTT1のセットアップで測定

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48結果:コリメータを用いた線源測定④• 線源の真下にあるchip1のchan0-10のエントリー数は少なくなっている

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49

ADC VS AMPL

2020/11/27

INTT日本語MT

50

ADC VS AMPL

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ALL CHECKING RESULT
cablesmall#8

INTT
1P200,201

P300,301

P400,401P220,221

P320,321

P420,421

××△

○

△

○No response. No response. Half chips respond.
small#82××

Calibration test is success.

△△No response. No response. Half chips respond.
small#3

1××

Half chips(1-13) respond.

△○No response. No response. Half chips respond.
small#6

1××

Calibration test is success.

○△No response. No response. Calibration test is success.
small#7

1××○△

No response. No response. Calibration test is success.
cablelarge#6INTT
12P300,301

P400,401

P220,221××○

△××

1××

Half chips(1-13) respond.

○○

No response. No response. Calibration test is success.
large#10

Half chips(1-13) respond.

P200,201

No response. No response. Calibration test is success.
large#6

Half chips(1-13) respond.

△

△

○

Entries in some chips are low
Calibration test is success.
at ch0-2.

△○

Entries in some chips are low
Calibration test is success.
at ch0-2.

○
Calibration test is success.

△○Calibration test is success.

○

Entries in some chips are lowCalibration test is success.
at ch0-2.
P320,321
P420,421○
Calibration test is success.

○Calibration test is success. Calibration test is success.

○No response. No response. Calibration test is success.

Entries in some chips are low
Calibration test is success.
at ch0-2.

○

Half chips(14-26) respond. Calibration test is success.

○Calibration test is success.

○Calibration test is success.

○Calibration test is success.

→Result of small cables are worse than the result of large.
2020/11/17

INTTweeklyMT52測定結果:セルフトリガー測定-線源無し• これまでと同様の測定を、セットアップから線源を取り除いて行った• 測定時間は10分
entries

entries

Chip_id•

青が線源無し測定、赤がhcip12,25上に線源を置いたときの測定結果である•

線源がないのに100万以上のエントリーが来ている→ノイズである

ADC• ノイズの殆どはADC0に来ている

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53測定結果:セルフトリガー測定-線源無し• DAC0=20に変更して10分間測定を行った

entries

entries

Chip_id

ADC• DAC0=10に比べ、エントリー数が大きく減少している• 特にADC0のエントリー数が減った

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