2018年度運営協議会

光量子測定器開発部門の活動報告
部門全体の活動
プロジェクト毎の進展

原2019.2.5

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Mission Overview

STJ
ATLAS pixel/strip
J-PARC MRPCALICE Si-W
SOI

Spring-8 Sync. Rad.

Heterodyne STM

STJ mass-spectrom.

LGAD

Other activities2Missions to GO

a personal view based on activities of current division members

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. amptakeuchi
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)3http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/event/DPPD-leaflet.pdf

光量子計測器開発部門☆先端検出器で各プロジェクトの推進を支え、新しい物理計測を可能にする進展の著しい先端光・量子検出器は、様々な物理計測限界を超越する可能性があります。光・量子検出器開発
部門では、各プロジェクトの推進を支え、さらに」TIA連携等を通じて新しい検出器技術の開発を推進します。

COBAND● 朝永センター各部門との密接な連携のもとに光・量子検出器を開発

STJ＋SOI増幅器試験
ストリップセンサー

ATLAS実験やALICE実験の検出器増強に用いるシリコン半導体検出器、COBAND実験用STJ、その他、朝永センターが推進する様々なプロジェクト用の検出器の開発研究を密接な連携をもって推進します。

STJの試験

T=350mK● TIA連携で先端検出器の開発
LGAD

世界最高位置分解能0.65mm を達成(2017)

ピクセル検出器の試験

HL-LHC ATLASVLSI 設計

３D積層により機能を一層拡張し、ILC用ピクセルを設計する

SOI モノリシックピクセル

放射線耐性試験

Focal検出器

LHC-ALICE

TIA(Tsukuba Innovation Arena)は筑波地区の５研究機関が連携して光量子センシングスクエアを形成し、新しい科学と産業の創成を目指します。
SOIは読み出し回路一体型の先端半導体検出器で、VLSIの設計・製作を通じ、さらに先端のμバンプ技術を用いた３次元積層で、検出器の機能をさらに飛躍させます。
センシングスクエアにはSTJと大型構造イメージングプロ
ジェクトも参画しています。

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光量子計測器開発部門の活動から
http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/
ニュース• 2018/11/19 SOI Pixel研究会がつくば市EPOCALで開催されました。これは本センター運営協議会委員でもあるKEKの新井康夫教授の退職を記念する研究会で、本部門の原准教授により”Development and operation of pixel detectors at the LHC ATLS experiment"の講演がなされました。
• 2018/10/22-26 Vertex2018 International Workshop
Inidia Chennnai で開催されました。これは毎年開催される素粒子実験の衝突点近くに設置されるVERTEX検出器に関する国際的な研究会で、本部門からは原准教授による”Development of SOI monolithic pixel detector for fine measurement ofspace and time SOFIST"の発表がなされました。
• 2018/9/24-25 第１回「量子線イメージング研究会」が京都大学で開催されました。部門からはSOIの開発に関して3件のポスター発表が行われました。企業関係者を含め135名の参加がありました。
• 2018/9/21 Tsukuba Science Week 2018における Evolution of the Universe and Origin of Matter のセションの部門の企画としてKEKの中村浩二博士にDevelopment of silicon semiconductor tracking devices for the High-Luminosity LHC experiment のタイトルの講演をいただきました。
• 2018/6/29 2018年度第１回TIA光・量子計測MG会議
つくばイノベーションプラザで開催されました。
• 2018/6/3 宇宙史研究センター構成員会議の発表
宇宙史研究センターの2018年度最初の構成員会議が実施され、光量子測定器開発部門の成果報告がありました、• 2018/6/1 TIAかけはしの２０１８年度研究開発に採択
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」が採択されました。これはSOI 技術をベースにして高機能化を目指す調査研究で、倉知（KEK）をリーダーとして、原（筑波大）、菊地（産総研）、池田（東大）による研究グループです。
• 2018/5/30 日仏FJPPLの２０１８年度プロジェクトしてATLAS planar pixelが採択
日仏FJPPLの２０１８年度プロジェクトしてATLAS planar pixelの開発研究が採択されました。これは日仏協定によるもので、日本（原/筑波大）とフランス（Lounis/LAL）を共同代表として進められます。

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光量子計測器開発部門の活動から
http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/•2019/3/8 第４回TIA光量子計測シンポジウムが、2019年３月８日に開催されます。
【ホームページ】 link 【日時】 March 8 (Fri), 2019, 13:00-18:00 【場所】 EPOCAL•

2019/2/4-5 宇宙史研究センター研究会が、2019年2月4日、5日に開催されます。
【研究会ホームページ】 link
光量子の合同セッションを５日の午前中に以下のように行います。 【日時】 February 5 (Tue), 2019, 9:3011:35 【場所】 総合研究棟B棟１階110 【プログラム】 Plenary Session•

2019/1/28 「第３回３次元積層半導体量子イメージセンサー研究会」
TIA連携プログラム探索推進事業「かけはし」で推進している第３回３次元積層半導体量子イメージセンサー研究会が1/28 EPOCAL で開催されました。
Workshop url（登録はこちらから）
poster•2018/12/8 「Workshop for development and applications of fast-timing
semiconductor devices」
が日米科学技術協力および宇宙史研究センターの後援により筑波大学東京キャンパスで開催されました。海外からの４名を含む17名の参加者により高速半導体LGAD検出器の高エネルギー実験やPETへの応用を議論しました。
会議要約ページ•2018/11/20~2019/1/8(水曜1630-1600) 「宇宙史セミナー２０１８」
大学院授業宇宙史セミナーI,IIをかねて光量子計測器開発の情報交換を行います（世話人 原）
poster6

大学院授業：宇宙史コースに所属する修士学生による研究発表
ATLAS 3件(2pixel,1strip)
LGAD 1件
SOI 4件<RHIC QGP解析 3件><宇宙観測 4件>
MKID ２件 分光計1件
STJ-SOI 1件

ALICE Focal 2件
JPARC MRPC 1件

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SOI
LGAD
MKID
STJ

Focal
ATLAS pixel
ATLAS strip

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研究会の開催（主催、共催） ⇒センターHPへ
TIA「かけはし」による3次元積層半導体イメージセンサー

LGAD workshop

TIA光量子計測シンポジウム•2019/3/8 第４回TIA光量子計測シンポジウムが、2019年３月８日に開催されます。
【ホームページ】 link 【日時】 March 8 (Fri), 2019, 13:00-18:00 【場所】 EPOCAL

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プロジェクト報告• SOI検出器開発• LGAD検出器開発• COBAND STJ-SOI検出器開発• STAR upgrade• ALICE Focal検出器開発• HL-LHC ATLAS• ストリップ型検出器開発• ピクセル型検出器開発• 近藤 「光周波数コムと走査トンネル顕微鏡を用いた新しい原子分解能精密分光法を開発」• 西堀 「新型CdTe検出器の評価」
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SOI: Silicon-on-insulator
読出し回路一体型ピクセル検出器関連研究会:
2018/9/24-25 第１回「量子線イメージング研究会」@京都大学
2018/11/19 SOI Pixel研究会 ＠EPOCAL
2019/1/28 「第３回３次元積層半導体量子イメージセンサー研究会」＠EPOCAL• 放射線耐性の向上• 微細ピクセル検出器(FPIX)• ILC用検出器(SOFIST)- 検出器評価(bench, beam tests)- ビーム試験用大面積tracker
FNALでのビーム試験
2018 Feb/Mar (SOFIST2, INTPIX4)
2019 Feb/Mar (SOFIST3, INTPIX7)
K. Hara et al., Development of Silicon-on-Insulator Monolithic Pixel Devices
S. Ono et al, A Monolithic Pixel Sensor with Fine Space-Time Resolution Based on Silicon-on-Insulator Technology for the ILC Vertex Detector
D. Sekigawa et al., Fine-Pixel Detector FPIX Realizing Sub-micron Spatial Resolution Developed Based on FD-SOI Technology
K. Hara et al., Radiation hardness of silicon-on-insulator pixel devices
I. Kurachi et al., Investigation of radiation hardness improvement by applying back-gate bias for FD-SOI MOSFETs
T. Tsuboyama et al, R&D status of SOI-based pixel detector with 3D stacking readout
S. Ono et al., Development of a monolithic pixel sensor based on SOI technology for the ILC vertex detector
M. Yamada et al, Development of monolithic pixel detector with SOI technology for the ILC vertex detector

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SOI Testbeam＠FNAL

筑波大・KEKSOFISTv2 for timing study
thinned to 75 um

Timestamp correlation

Chip-B [us]

SOFIST: SOI Fine measurement of Space and Time(2018 Feb/Mar)

500
Chip-A [us]12-b ADC
ramp

timestamp
Test-in
σ=1.55us
Beam gate (500us)

ILC beam structure

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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

σ=1.77um
σint=1.37um（山内, 修論)

Pixel size : 17x17um
Sensitive area (8.7x14.1mm)

2枚目センサーヒット位置の飛跡からの残差

64x51264x51264x51213 parallel readout

512x832 pixels-> 300 fps
faster by RoI selection

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)13

SOFIST4

SOI ピクセル検出器の三次元積層技術→二枚のチップを Au シリンダーバンプ（3 μmφ ）にて接合しピクセル内の信号処理回路を三次元的に拡張する．

Upper

3D stacking
東北マイクロテック
Pixel size: 20 x 20 μm
Under bump metal: 4 x 4 μm
Cylinder bump: 3 μmφLowerchipSensor

同じ３D積層技術で、SOIを用いた異種材料接合(eg. CdTe+Si)、多層積層が可能となり、従来にない高機能化センサーの実現をめざす ⇒ TIAかけはし「３D積層」の課題

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LGAD: Low-gain avalanche detector
筑波大・KEK 内部増幅機能付き半導体検出器
関連研究会:
2018/12/8 「Workshop for development and applications of fast-timing
semiconductor devices」＠筑波大東京キャンパス
日米科学技術協力：KEK(中村)-FNAL(A. Apresyan)
内部増幅により
 放射線損傷による収集信号量を回復
 高時間分解能半導体センサー
高輝度ハドロン衝突＝多くの飛跡が生成される←ピクセルの細密化で対処(~HL-LHC)
情報でのみの飛跡再構成は限界
位置時間情報があれば飛跡再構成法に革新

HL-LHCLGADは高時間、高位置分解能を実現できる＜4D検出器＞
S. Wada et al., Evaluation of characteristics of Hamamatsu low-gain avalanche detector

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Workshop for development and applications offast-timing semiconductor devices

海外から4名の参加者

PETへの応用研究(ToF-PET)
放医研 山谷氏

高分解能時間読出し
INFN Lai氏

その他に
Geneva大病院へのToF-PET
HL-LHC ATLAS HGTD
FCC,….

https://indico.cern.ch/event/747424/

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Low-gain avalanche detector
LGAD
FNAL Testbeamを用いた時間分解能評価
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, 修論)⇒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

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Low-gain avalanche detector
LGAD
TCADによるGain一様性に優れた電極構造の最適化（和田 修論）
TCADパラメータを測定結果に合うように調整
Trenchによる電極分離を評価

Gain

Trenchによる電極分離
focused laserによる測定（大鳴卒論2017）

 2/20~からのFNALでのテストビームで電極細分化されたセンサー評価(UCSCからのサンプルを含む）
 日米科学協力2019に申請中

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宇宙背景ニュートリノ崩壊光探索(COBAND)に向けた
遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発
Nb/Al-STJ のSOI極低温増幅回路読出
2018年度のハイライト:低入力インピーダンス電荷積分型SOI増幅器の超伝導トンネル接合素子(STJ)光応答信号増幅の実証テストSTJチップ

T=350mK

SOIチップ
光ファイバ

産総研CRAVITY製20mm角Nb/Al-STJと共にSOI増幅器を冷凍機内に設置し300mK程度まで冷却後， STJに可視光（465nm）レーザーパルスを照射し，STJからのパルス応答信号を極低温環境下の電荷積分型SOI回路によって増幅することに成功．SOI増幅器への入力電荷は9fC相当．

STJ素子

SOI素子

超伝導体(STJ)と半導体(SOI)の融合

19宇宙背景ニュートリノ崩壊光探索(COBAND)に向けた
遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発
ハフニウムを用いたSTJ光検出器の開発
2018年度の主な成果：読出し配線付き10mm角のHf-STJの作製に成功しリーク電流0.3mAまで減らすことに成功．
(これまでは，200mm角でリーク電流7mAが我々のグループでの記録)．素子の製作は，ＫＥＫ先端計測器開発棟クリーンルームプロセス装置群を使用．
今後の予定：韓国 IBS CUP で，より低温での測定(150mK50mK)，およびX線源を用いた光検出器としての動作評価•••

S. H. Kim et al., "Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detectors with Cryogenic Preamplifier for COBAND
experiment", Proc. of Int. Conf. on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP2017), SPPHY 213, 242 - 248 (2018)
K.Takemasa et al., "Development of Superconducting Tunnel Junction Detector Using Hafnium for COBAND Experiment", Proc.
of Int’l Conf. on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP2017), SPPHY 213, 254 - 258 (2018)
S.H. Kim et al., "宇宙背景ニュートリノ崩壊探索COBAND実験", 観測ロケットシンポジウム2018 講演集 SA6000127012, IV-2 (2018)20

Beam Energy Scan Program Phase-II towards high-density
High-temperature(2019~2021)
STAR

inner Time Projection Chamber (iTPC)
endcap Time Of Flight (eTOF)
Event Plane Detector (EPD)

RHIC Beam Energy Scan
increase rapidity acceptancewith particle identification andwith better event characterization

J-PARC, FAIR, NICA

Critical End Point

Nucleus A

high-density
High-temperature, high-density
Quark Gluon Plasma

Nucleus B

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RUN17
RUN18

RUN19
RUN20
RUN21500 GeV p+p
54 GeV Au+Au
200 GeV Zr+Zr, Ru+Ru
27 GeV Au+AuFixed-target test run

STAR detector upgrade for BES-IIeTOF

EPD

iTPC

14.5 - 20 GeV Au+Au
7 - 11 GeV Au+Au
Fixed-target runs
Event Plane Detector (EPD)
TPC
TPC

iTPCupgrade

TPC inner sector readout
with more segmentation

EPD
EPD

Endcap Time-of-Flight(eTOF) from FAIR-CBM

Fixed-target mode

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ALICE Forward Calorimeter• LHC 超前方領域で、未開のQGP誕生の起源に迫る•

Si + W サンプリング型電磁カロリメータ• PAD (1x1cm2)とMAPS (30x30μm2) シリコンセンサを備えたハイブリッド検出器。2023年、実機 ALICE導入を計画中。

•2018年、筑波大を中心とする FoCal 日本グループにより、新規試作機 (PAD, mini-FoCal) を設計・製作 (20 X0, 3 tower 構造)。
• CERN PS/ SPS 加速器によるテスト実験を経て、10月、ALICE実験に初導入。pp 13 TeV 衝突事象データ取得に成功• 国内：筑波大、筑波技術大、広島大、奈良女子大、理研• 海外：ユトレヒト大学, Nikhef（オランダ）, RD51（CERN）•2019年3月7-9日、筑波大CCSにてForward物理に関する国際ワークショップと、FoCal コラボレーション会合、同時開催•

Norbert さんによる、光量子ジョイントセッションでの発表

Utrecht U. & U. TSUKUBA

mini-FoCal

SPS テストビーム実験 (2018.8)

mini-FoCal
LHC beam pipe
@ ALICE P223

HL-LHC ATLAS ITk
放射線量 10倍
粒子密度 (~5倍）

LHC ⇒ HL-LHC(2026)
Luminosity : 300 ⇒ 3000 /fb
現ATLAS

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)LS

Strip detector (12cm ⇒ 4.8/2.4cm)
Pixel detector (50x250 ⇒ 50x50um)
1st pixel: 3D
センサー設計
2nd -5th : planarSS

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

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筑波大、KEK

HL-LHC Strip Sensor• 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

FDR (final design review)
最終設計センサー：ATLAS17LS, R0⇒18SS,R1~R5
陽子照射サンプルの評価
収集電荷量
表面損傷等に問題なし

大鳴・原田・和田・佐藤 2018

LSSS
 日本グループはバレル部の半数のセンサー製造分担
センサーQC/QA

R. Hunter et al, First bulk and surface results for the ATLAS ITk Strip stereo annulus sensors
A.J. Blue et al, Test beam evaluation of silicon strip modules for ATLAS phase-II strip tracker upgrade
V. Cindro et al, Measurement of the charge collection in irradiated miniature sensors for the upgrade of the ATLAS phase-II strip tracker

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ATLAS-J silicon

HL-LHC Pixel Sensor

日仏FJPPL: 筑波大/KEK(原)ーLAL（Lounis）

ATLASに設置できるFlex基板
ピクセルモジュール(4x4cm)
3rd-5thに設置できるバイアス構造付 (50x50 or 25x100um pixel)
p型ピクセルモジュールを設計

25x100はノイズが大(pixel間容量）…
内山(修論)
内山(修論)
 最新のRD53Aを用いた構造最適化とテストビーム性能評価陽子照射後モジュール 2月からFNALビーム試験
K. Nakamura et al., Development of a radiation tolerant fine pitch planar pixel detector by HPK/KEK

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HL-LHC Pixel Sensor
 Japan sensor/module 製造分担
20% barrel(900~17,00 modules) +34% EC planar(800)••

PixelセンサーMarket Surveyの最終段階「仕様どおりのセンサー」 HPKはOK
最新のASICを用いたモジュール試作+テストビーム評価

ハイブリッド化
ASIC(150um)+sensor(150um)のバンプボンドの実績がない…今までは海外でB形成+遅延→T-Microで試作中
Q~12,000

モジュール化 (九大+KEK)
Flex Printed Circuit

BBTPG+CFRP

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近藤研究室 2018年度研究成果
１．最も重要な研究成果
光周波数コムと走査トンネル顕微鏡を用いた新しい原子分解能精密分光法を開発（論文：原稿ができておりまもなく投稿予定）

２．外部獲得資金など
・科研費 基盤B 代表（2016-2018）
・科研費 挑戦的萌芽 代表（2016-2018）
・科研費 挑戦的研究（萌芽） 代表（2018-2020）
・公益財団法人 村田学術振興財団 2018年度研究助成 代表（2018-2019）
・一般財団法人サムコ科学技術振興財団 平成30年度 第2回 薄膜技術に関する研究助成 代表（2018-2019）
・公益財団法人 小笠原科学技術振興財団 平成30年度一般研究助成 代表（2018-2019）・東京工業大学 元素戦略センター 特定准教授（年度更新）
３．国際交流活動 Duisburg-Essen大学、University Colleague London
４．その他特記事項
282018/4～

SPring-8 PU課題にて新型CdTe検出器の評価（代表: Iversen Bo, メンバー西堀）

判明した問題点

Number of detector modules

2x5

Sensitive area (width x height) [mm2]168.7 x 179.4

Pixel size [µm2]172 x 172

Total number of pixels (horiz. x vert.)

981 x 1043 = 1,023,183

Gap between modules (horiz./vert.)[pixel], *plus 1 pixels horizontal gap
on each module

7* / 17

Inactive area [%]7.8%

Defective pixels< 0.1%

Maximum frame rate [Hz]500

Readout time [ms]0.95

Point-spread function

1 pixel (FWHM)

Threshold energy [keV]

8 - 40Maximum count rate [phts/s/pixel]

1 · 107

Counter depth

20 bits (1,048,576 counts)

Power consumption [W]165

Dimensions (WHD) [mm3]265 x 286 x 455Weight [kg]25

Module cooling

Water-cooled

Electronics coolingAir-cooled

External trigger / gate

5V TTL29判明した問題点解決のための新課題（２０１９～２０２１）
⾼エネルギーX線2次元検出器を⽤いた⾼度物質構造科学研究代表：筑波大 西堀、メンバー Iversen（ユニット招致）
申請、面接審査委終了、２月に採否決定
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まとめ

• 部門全体としての活動
いくつかの研究会とセミナーの開催
部門活動費(30+30万円)→テストビーム、学会旅費• 各プロジェクトで着実な進展
国際協力での推進 （ATLAS HL-LHC, ALICE Focal, STAR upgrade)
TIA（KEK）連係の推進 （SOI, LGAD)
TIA+CUP/IBS (COBAND)• 継続課題＜予算申請中＞部門に併設するシリコンラボ（仮称）テストビームラインの新設（KEK-AR）と共同利用としての運営

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