HL-LHCへ向けた
ピクセル検出器のビームテスト解析
筑波大学

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CiRfSE Workshop

修士1年 佐藤和之

2016/1/19

2目次
 ATLAS upgradeについて

 ピクセル検出器について
 ビームテスト @DESY
 解析結果 まとめ

CiRfSE Workshop

2016/1/19

3

A Toroidal LHC ApparatuS(ATLAS)

内部飛跡検出器• ピクセル検出器(Pixel)• シリコンストリップ検出器(SCT)• ストローチューブチェンバー(TRT)• ソレノイドマグネット

ミュー粒子検出器• トリガーチェンバー(TGC,RPC)• ドリフトチューブチェンバー(MDT)• トロイドマグネット
CiRfSE Workshop

HL-LHC(2025~)のインストールを目指し開発中！！

カロリメータ• 電磁カロリメータ• ハドロンカロリメータ
2016/1/19

4

アップグレード計画
HL-LHCにおける放射線量増大に耐える＆性能向上を目指す！！

Run1

Run2

Run3

Run4
ここでのインストールへ向けて検出器を開発中！！

Energy13TeV→14TeV

HL-LHC
加速器の磁石の寿命による交換＆飛跡検出器の全交換

Energy8TeV→13TeV
現在
CiRfSE Workshop

2016/1/19

5Pixel & Strip Detector

 ストリップ検出器
放射線耐性と基礎特性、放射線における特性の変化 etc

 ピクセル検出器
モジュール作成方法の確立、放射線耐性、構造の最適化 etc

内部飛跡検出器 Upgrade後のレイアウト予定図

Stripe Detector

Pixel Detector

CiRfSE Workshop

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6ピクセル検出器

 n+-in-p型半導体検出器

SiO2

 p型半導体にn型不純物をインプラントし、p-n接合を作る。
 裏面に逆バイアスをかけて、インプラントしたn型半導体を接地することにより、空乏層を広げる。
 電極の分離をよくするために、p+を埋め込む。

 ピクセル検出器

Poly-SiASICn+
P-stopChargedparticle

Al Pade-e-hh

AlP-stop

Bump
p-bulk-V

Al Pad Al Padが2次元的な配置をしているため、n+を接地するためにBiasrail、Poly-Siを引く必要がある。
 読み出し回路を全ピクセルとつなげるためにBump-bondingを行う
Bias-rail
CiRfSE Workshopp+Poly-Si
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Bump bonding

ピクセル検出器の2次元的に配置された各ピクセルから読み出すためにASICとチップをはんだバンプで繋げる手法。

ASIC

AlUBM

BumpMaterial

Pixel Sensor

UBMAl

開発初期と比べるとBump-open、動作不良などが減少してきて、クオリティが安定してきた。
2013年初め
β-source scan

現在(no flux)
β-source scan

＊β-source scan

Sr90のβ線源を用いて、モジュールの応答を検査する。

Bump-openは信号が返って来ないため白い領域。
Bump-Bondingをする際の固定方法を「ガラス製サポート」→「真空吸着（中心１穴ジグ）」→「真空吸着（ 2次元マトリックス配置したジグ）」にすることで改善
CiRfSE Workshop

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Bump bonding

ピクセル検出器の2次元的に配置された各ピクセルから読み出すためにASICとチップをはんだバンプで繋げる手法。

ASICAlUBM

BumpMaterial

Pixel Sensor

UBM
Al

開発初期と比べるとBump-open、動作不良などが減少してきて、クオリティが安定してきた。
フラックスを用いてはんだの濡れ性を向上させることにより改善。
→フラックス残渣によりコネクタに接触不良が起こりやすくなるためできるだけ使用したくない→他の方法を模索中

現在(no flux)
β-source scan

CiRfSE Workshop

現在(with flux)
β-source scan

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9照射試験
 HL-LHCでは、高い放射線耐性が必要→γ線・陽子線照射を行い、HL-LHCでの放射線損傷を再現し、放射線照射後のセンサーの性能評価を行う。
（本発表では、陽子線照射されたセンサーの解析について発表する）

ガンマ線照射：表面損傷

陽子線照射：バルク損傷

HL-LHC run ~ 1MGy

HL-LHC run ~ 1.7×1015 neq/cm2

CiRfSE Workshop

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開発サイクル
照射前試験
サンプルの状態確認

照射- 陽子線@CYRIC- ガンマ線@高崎

浜松ホトニクスへ
Feedback

照射後試験
サンプルの状態確認
テストビーム
検出器の位置分解能、検出効率の試験@CERN , DESY etc
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ビームテスト11

 粒子ビームを用いて、検出器の検出効率、位置分解能を調べる
 CERN 125Gev pion beam
 DESY

4GeV electron beam

Detector Under Test(DUT)
性能評価するピクセル検出器
DAQシステム• USBPix

粒子ビーム

テレスコープトラッキング用高位置分解能
ピクセル検出器o• RCE
Trigger Logic Unit(TLU)
トリガー用シンチレータからのトリガー信号を受け取り、DUT、テレスコープへ発行する
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2015April DESY Testbeam

12 2015年4月にDESYで行われたビームテストの解析を行った。
1. Bias-railを電極の上に乗せることによる効果の検証
2. ピクセルサイズの検証（50um×250um→25um×500um）

Type12

Type2

Proton-Irrad 3.0E+15neq/cm2

Proton-Irrad 3.0E+15neq/cm2

2本のbias-railがピクセル境界に置かれている

2本のbias-railをピクセル上に置いている

50um
250um

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50um

250um

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2015April DESY Testbeam 2015年4月にDESYで行われたビームテストの解析を行った。

1. Bias-railを電極の上に乗せることによる効果の検証
2. ピクセルサイズの検証（50um×250um→25um×500um）

Type26 Long pixel ,Proton-Irrad 3.0E+15neq/cm225um

500um
Bump Bonding

Bias rail

Type22 Long pixel ,Proton-Irrad 3.0E+15neq/cm225um

500um
Bump Bonding CiRfSE Workshop

Bias rail

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解析方法
 ピクセル内の検出効率マップを射影し、ピクセルの検出効率とピクセルの端の効率を求め、比較する。

1. 射影したヒストグラムを
Double Gaussian + constant Fit

Ex. Type 200V

2. Constantをピクセルの検出効率とする

3. 両側のGaussianをそれぞれ積分し、積分領域の長さで割ることでピクセル端の効率とする→この値をピクセルの構造ごとに比較することにより、どのような構造が最適なのか検証していく

CiRfSE Workshop

X projection

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Analysis about bias-rail Type2：bias-railが電極上にある構造
 Type12：bias-railがピクセル境界上にある構造→先行研究からの予想通り、Type2の方が検出効率の低下が小さくなっている→bias-railを電極に乗せることにより検出効率の低下を抑制できる

CiRfSE Workshop

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16

Analysis about long pixel Type22：bias-railが電極上に存在＋End pad Type26：bias-railが電極上に存在＋Center pad→どちらの構造もbias-railが隠れるようになっているが、Type22の方が検出効率の低下が大きい→Bonding Padとバイアスレールが重なると問題が起こるのか？
→現在検証中CiRfSE Workshop

2016/1/19

17まとめ 現在、HL-LHC Run4(2025~)の内部検出器へのインストールへ向けてピクセル検出器の開発を行っている。
 検出器の構造の最適化を目指し、ビームテストを行い検出効率低下の原因を探索中
 Bias-railによる検出効率の低下は先行研究通りの結果となり、Bias-railを隠すことにより抑制できると考えられる。

 ピクセルサイズ：25um×500umのセンサーについては、Bonding Padの影響があるかどうか、今後も検証を続けていくとともに、25um方向についての有用性を検証していく必要がある。

CiRfSE Workshop

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18

Back upCiRfSE Workshop

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19

Large Hadron Collider(LHC)

スイスとフランスの国境に位置している
周長 27km
地下 約100m
陽子-陽子衝突型加速器
2010年~2012年 最大8TeV
現在、最大13TeVで稼働
CiRfSE Workshop

地下100mのトンネル

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A Toroidal LHC ApparatuS(ATLAS)

全長 44m、高さ 25m、重さ 7000tの汎用粒子検出器。
目的 Higgs粒子の精密測定 超対称性粒子の探索
 余剰次元の探索

 新しい物理
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HL-LHCにおける電離性放射線量

 衝突点近傍では多量の放射線が放出される。
HL-LHC（Luminosity~3000fb-1）

での線量マップ(ATL-UPGRADE-PUB-2014-003 )

現在、3層目、4層目へのインストールを考えている
Max 1MGy(HL-LHC run)
CiRfSE Workshop

2016/1/19

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γ線損傷

 シリコンセンサーはγ線により表面損傷を受ける。
 γ線が原子をイオン化・励起し、エネルギーを落とす。
（イオン化損傷を受ける領域：SiO2層、 SiO2 –Si界面）
Fixed oxide charge : 正孔捕獲によるもの、正に帯電Interface trapped charge : 界面付近に + or - に帯電。エネルギー準位を形成。

γ-ray

表面損傷により引き起こされる現象
1. 暗電流の増加
2. 表面電場の上昇によるブレークダウン電圧の変化

3. 空乏化しないDeadlayerの形成

CiRfSE Workshop

Fixed oxide charge+×+×+×+×

SiO2++× ×Interface trapped charge

SiO2-SiSi

2016/1/19

ビームテスト23

 粒子ビームを用いて、検出器の検出効率、位置分解能を調べる
 CERN 125Gev pion beam
 DESY

4GeV electron beam

Detector
Control
System(DCS)

Cooling box

テレスコープトラッキング用高位置分解能
ピクセル検出器
18.4×18.4um2, 1152×576ピクセル

Detector Under Test(DUT)
粒子ビーム

トリガー用
シンチレータoUSBpix DAQ

RCETrigger Logic Unit(TLU)

CiRfSE Workshop

NI crate2016/1/19

24

ビームテスト解析

 ビームテスト解析には2つのソフトウェアを用いる
 EUTelescope
rawデータを変換し、テレスコープの位置情報を用いて、clustering、rotation、alignment、trackingなどを行う。その後、通過した粒子の飛跡情報を出力する
 TBmon2
EUTelsescopeで出力された飛跡情報を用いて検出効率や収集電荷の解析を行う

EUTelescope
TBmon2CiRfSE Workshop

2016/1/19

25

Previous Research ピクセル構造の異なるセンサーについて解析を行い、検出効率低下の原因を調査
先行研究では、バイアスレール下で大きな検出効率の低下が見られた。

Previous researchby K.Motohashi
Bias- rail

→バイアスレールの帯電により電荷が収集されていないのではないか？
→これを改善するための基本アイディア「他の構造（電極、p-stop etc）でBias-railを隠す」→Bias-railを隠した構造のセンサーを作成し、最適化を行う。

CiRfSE Workshop

2016/1/19

26

Bump bonding＊Bump bondingとはピクセル検出器の2次元的に配置された各ピクセルから読み出すためにASICとチップをはんだバンプで繋げる手法。
はんだとチップ電極であるAlを繋げるために「Al(ASIC)-UBM-Bump-UBM-Al(chip)」のような層構造をしている。
UBM(Under Bump Metal)：Al電極にバンプを形成するために介在させる金属層

Main解：SnAg Bump-bonding
ASIC:150um
AlUBM
~25um

Pixel

SnAg
Ni/AuAlCiRfSE Workshop

Back up解：Ni/In Bump-bonding
ASIC:150um
AlNi~15um

In
Pixel

NiAl

2016/1/19

27

Bump bonding(SnAg)

 初期段階での問題点であったガラス製サポートによるBump-openは、真空吸着法の開発により改善。(300um厚センサー)→150umのセンサー、150umのASICのバンプボンディングでバンプが剥がれてしまった→真空吸着ジグの形を変更し解決「中心1穴のジグ」から「チップサイズに合わせて吸着穴を多数マトリックス配置したジグ」にすることで改善
現在(no flux)
2013年初め＊β-source scan
β-source scan
β-source scan
Sr90のβ線源を用いて、モジュールの応答を検査する。
Bump-openは信号が返って来ないため白い領域。
AJ Informal Pixel Workshop

2015/10/2

28

Bump bonding(SnAg)

しかし、再現性、温度サイクルに弱いという問題が存在

現在（with flux）
β-source scan

→フラックスを用いることにより改善→接合時に汚れとしてフラックスが残り、コネクタにおける接触不良や腐食が起こりやすくなるため、できるだけ使いたくない。
(*)IBL(Insertable b-Layer)の開発の際にフラックス残渣のせいでモジュールの60%に不具合があった＊フラックス
はんだ付けの際に生じる酸化物や汚れを取り除き、加熱中の酸化を防止する。
溶けたはんだの表面張力を下げ、はんだの接合部に対する濡れを良くする
AJ Informal Pixel Workshop

2015/10/2

29

Bump bonding(Ni/In)
 Back up解：Ni/In Bump-bonding Ni-In-Ni
 今のところ、クオリティーが安定している。

現在
β-source scan

Bump-openがあまりなく、Thermal Cycleにも強い Niが強磁性体であるため、実際にATLASへインストールしたときに磁場の影響を受ける→磁場耐性に対する試験を行う必要がある

AJ Informal Pixel Workshop

2015/10/2